Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in

Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di
generazione in assetto co-trigenerativo e
nei sistemi integrati con unità a pompa di calore
nelle applicazioni industriali e del terziario
M. Bianchi
P. R. Spina
G. Tomassetti, D. Forni
E. Ferrero
Report RSE/2009/18
Ente per le Nuove tecnologie,
l’Energia e l’Ambiente
RICERCA SISTEMA ELETTRICO
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione
in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con unità a pompa
di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
M. Bianchi
P. R. Spina
G. Tomassetti, D. Forni
E. Ferrero
Report RSE/2009/18
LE TECNOLOGIE INNOVATIVE ED EFFICIENTI NEI SISTEMI DI GENERAZIONE IN ASSETTO COTRIGENERATIVO E NEI SISTEMI INTEGRATI CON UNITÀ A POMPA DI CALORE NELLE
APPLICAZIONI INDUSTRIALI E DEL TERZIARIO
M. Bianchi (Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e
di Metallurgia – DIEM – dell’Università di Bologna)
P. R. Spina (Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Ferrara)
G. Tomassetti, D. Forni (FIRE – Federazione Italiana per l’uso Razionale dell’Energia)
E. Ferrero (ENEA)
Aprile 2009
Report Ricerca Sistema Elettrico
Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico - ENEA
Area: Usi finali
Tema: Promozione delle tecnologie elettriche innovative negli usi finali
Responsabile Tema: Ennio Ferrero, ENEA
Brevi note sugli autori sono riportate a fine rapporto
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Sommario
Il presente rapporto raccoglie i risultati della collaborazione congiunta dell’Ente per le
Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente (ENEA), del Dipartimento di Ingegneria delle
Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia (DIEM) dell’Università
di Bologna, del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Ferrara e della Federazione
Italiana per l’uso Razionale dell’Energia (FIRE), operata nell’ambito dell’accordo di
programma tra il Ministero dello Sviluppo Economico (MSE) e l’ENEA per lo svolgimento
di attività di Ricerca e Sviluppo di Interesse Generale per il Sistema Elettrico Nazionale
(Ricerca di Sistema).
Gli argomenti trattati nel rapporto si riferiscono al Tema di Ricerca 5.4.3.1. “Promozione
delle tecnologie elettriche innovative negli usi finali” dell’area “Usi finali” ed hanno come
obiettivo la ricognizione delle tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione
in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con unità a pompa di calore nelle
applicazioni industriali e del terziario.
In particolare vengono descritte le tecnologie per la generazione di energia elettrica in
assetto cogenerativo con riferimento alle taglie di potenza elettrica nominale fino a
10 MVA, sistemi di Generazione Distribuita (GD) secondo la definizione data dall’Autorità
per L’Energia Elettrica e il Gas (AEEG). Nell’ambito di questo rapporto viene posta
particolare attenzione alle tecnologie con potenza utile elettrica limitata ad 1 MW, che
corrisponde alla potenza nominale massima dei sistemi indicati dalla normativa vigente
(D. Lgs. n. 20/07) come sistemi di Piccola Generazione (PG). Per ciascuna tecnologia il
rapporto tecnico analizza le principali caratteristiche di funzionamento, le prestazioni
energetiche e quelle ambientali. Inoltre vengono fornite informazioni relative ai settori di
applicazione e al potenziale di diffusione, evidenziando eventuali limiti e/o barriere. Si
riportano anche alcuni esempi realizzativi di interesse nell’ambito nazionale.
Il rapporto è stato concepito e sviluppato in base all’esigenza di realizzare un prodotto di
ricerca il più possibile pronto all’utilizzo da parte dei soggetti individuati quali principale
obiettivo: gli operatori di settore lato utenza finale.
Si ottempera così all’obbligo previsto per le attività di Ricerca di Sistema di beneficiare gli
utenti del sistema elettrico dei risultati prodotti, contribuendo alla diffusione di tecnologie
innovative disponibili, ove per “innovativo” si intende sia una tecnologia “nuova”, sia una
tecnologia energeticamente efficiente ed innovativa nell’applicazione al settore o al
processo produttivi.
Un uso più diffuso di tecnologie innovative ed efficienti e una migliore e razionale
gestione dell’energia consentono, insieme a concreti benefici economici in termini di
riduzione dei costi di approvvigionamento energetico per le utenze finali (tra cui
principalmente le aziende che attueranno programmi di efficienza energetica seguendo un
approccio di tipo sistemico), una complessiva riduzione dei consumi energetici ed una
migliore integrazione dei carichi energetici locali nelle reti energetiche nazionali.
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Indice
1. Introduzione…………………………………………………………………………………..…6
1.1
La diffusione della cogenerazione…………………..…………………………………..8
2. Il quadro normativo/legislativo………………..…………..…………………………………13
2.1
L’inquadramento istituzionale della cogenerazione in Italia: una evoluzione lunga
100 anni…………………….………………..…………..…………………………………13
2.2
La situazione attuale in Italia………………..…………..…………..…………………15
2.2.1
I certificati bianchi………………..…………..……………………………21
2.2.2
I certificati verdi………………..……....……………………………….…23
2.2.3
La fiscalità della cogenerazione..……..……………………………….…25
2.3
Le direttive Comunitarie e le leggi dei singoli stati europei…………..……………30
2.4
Gli scenari futuri in Italia ed in Europa………………………………………….……35
2.5
La situazione extraeuropea…………………………………………………….………42
3. Tecnologie elettriche innovative a combustibile per la cogenerazione sotto i 10 MVA...53
3.1
Motori alternativi a combustione interna…………………………………….………53
3.2
Turbine a gas di taglia medio-piccola (1÷10 MWe) …………………………………70
3.3
Microturbine a gas………………………………………………………………………89
3.4
Impianti con turbine a vapore……………………………………………………..…..98
3.5
Cicli Rankine a fluido organico (ORC) ………………………………….………..…103
3.6
Micro-cicli Rankine………………………………………………………………….....113
3.7
Cicli combinati gas-vapore……………………………………………………..…..…116
3.8
Motori Stirling…………………………………………………………………...……..122
3.9
Celle a combustibile………………………………………………………….………..140
3.10 Sistemi termofotovoltaici (TPV) …………………………………………………..…150
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4. Tecnologie elettriche e non elettriche per la produzione del freddo e del caldo…..…..157
4.1
Frigoriferi ad azionamento elettrico e meccanico…………………………………..157
4.2
Frigoriferi ad assorbimento…………………………………………………………...160
4.3
Dessiccant cooling……………………………………………………………………..166
4.4
Pompe di calore ad azionamento elettrico e meccanico…………………….……..169
4.5
Pompe di calore ad assorbimento……………………………………………………174
5. Le barriere alla diffusione della piccola cogenerazione………………………………….178
5.1 Generalità sulle barriere alla diffusione……………………………………..………..178
5.2 Possibili linee di soluzione……………………………………………………...……..181
5.3 Prospettive e proposte…………………………………………………………..…..…183
Note sugli autori………………………………………………………………………..………..185
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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1. Introduzione
La richiesta di energia da parte delle utenze elettriche, termiche ed eventualmente
frigorifere può essere soddisfatta mediante tecnologie cogenerative che utilizzano
combustibili di diversa natura. Come evidenziato in figura 1.1 , le tecnologie elettriche per
la cogenerazione si servono anche di tecnologie ausiliarie, di tipo elettrico e non elettrico,
per la produzione del caldo e del freddo: i flussi di energia prodotti dal sistema di
cogenerazione possono essere convogliati alle utenze, oppure impiegati in sistemi ausiliari
per la produzione indiretta di freddo o di caldo.
Tale rapporto intende fornire un quadro delle tecnologie consolidate ed innovative nel
campo della cogenerazione di piccola taglia (< 10MVA). In particolare la tabella 1.1 riporta
un elenco delle tecnologie di cogenerazione che verranno esaminate: per la maggior parte
si tratta di tecnologie ben consolidate o comunque disponibili sul mercato, mentre altre
(celle a combustibile e termo-fotovoltaico) sono tecnologie ancora in via di sviluppo.
Combustibile
Tecnologie elettriche
a combustibile
per la cogenerazione
elettricità
energia meccanica
calore
Tecnologie elettriche
per il caldo e il freddo
Tecnologie “non elettriche”
per il caldo ed il freddo
calore
freddo
freddo
calore
Utenze
elettriche
Utenze
termiche
Utenze
frigorifere
Figura 1.1 – Integrazione delle tecnologie per la cogenerazione con le tecnologie elettriche e non elettriche
per la produzione del caldo e del freddo
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Tabella 1.1 – Tecnologie per la cogenerazione
Tecnologia
(1)
C
C
D
C
Diffusione
(2)
*****
****
***
*****
biogas
D
***
gas naturale
biogas
combustibili fossili, rifiuti e
biomasse di diversa natura
C
D
***
**
C
*****
combustibili fossili, biomasse
C
***
combustibili fossili, biomasse
gas naturale
biogas
combustibili fossili, biomasse
idrogeno, metanolo, gas naturale,
gpl
D
C
D
D
**
*
-
P
-
combustibili fossili, biomasse
P
-
Tecnologia
(1)
C
C
C
Diffusione
(2)
*****
****
**
Tecnologia
(1)
C
C
C
D
Diffusione
(2)
*****
****
***
*
Tecnologia
combustibile
Motori alternativi a
combustione interna
(MCI)
Turbine a gas di taglia
medio-piccola (1÷10
MWe)
Micro turbine a gas
(MTG)
Impianti con turbine a
vapore
Cicli Rankine a fluido
organico (ORC)
Micro-cicli Rankine
gas naturale, gasolio
biogas e biocarburanti
oli vegetali
gas naturale
Cicli combinati
Motori Stirling
Celle a combustibile
(FC)
Termo-fotovoltaico
(TPV)
(1) “C” consolidata, “D” disponibile, “P” a livello di prototipo
(2) da una a cinque asterischi in base alla diffusione
Tabella 1.2 – Tecnologie elettriche e non elettriche per il caldo
Tecnologia
Pompe di calore ad azionamento elettrico
Pompe di calore ad azionamento meccanico
Pompe di calore ad assorbimento
Tabella 1.3 – Tecnologie elettriche e non elettriche per il freddo
Tecnologia
Frigoriferi ad azionamento elettrico
Frigoriferi ad azionamento meccanico
Frigoriferi ad assorbimento
Dessiccant cooling
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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1.1 La diffusione della cogenerazione
Diffusione della cogenerazione in Europa
La quantità di energia elettrica prodotta in Europa da impianti cogenerativi si è attestata,
per l’anno 2006, a circa 370 TWh, ovvero a circa il 11% della produzione elettrica totale.
La Germania si presenta come il paese con la produzione più elevata (figura 1.1.1) con
circa 80 TWh, mentre la Danimarca e la Lettonia sono gli unici paesi che coprono, con la
cogenerazione, più del 40% della propria produzione elettrica.
1
Germania
2
Italia
3
Olanda
4
Finlandia
5
Polonia
Gran Bretagna
6
Spagna
7
Danimarca
8
9
Francia
10
Rep. Ceca
produzione
percentuale rispetto
produzione elettrica totale
11
Svezia
Romania
12
13
Austria
14
Slovacchia
15
Ungaria
Belgio
16
17
Portogallo
Bulgaria
18
Lettonia
19
Lituania
20
0
10
20
30
40
50
60
produzione (TWhe)
percentuale rispetto alla produzione elettrica totale (%)
70
80
Figura 1.1.1 - Produzione di elettricità da cogenerazione – (dati Eurostat1, anno 2006 )
1
Eurostat European Commission, “Combined Heat and Power (CHP) in EU, Turkey, Norway and Iceland -2006 data
– Issue number 22/2008”, http://epp.eurostat.ec.europa.eu
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Nella tabella 1.1.1 vengono sinteticamente analizzati alcuni aspetti della cogenerazione nei
paesi europei dove la produzione cogenerativa è più significativa.
Tabella 1.1.1 – La diffusione della cogenerazione nei principali paesi produttori europei (dati Eurostat 2006)
Paese
Diffusione della cogenerazione
Austria
La cogenerazione copre il 16 % della produzione elettrica totale e il 77% della produzione
per via termica é cogenerativa, soprattutto nel teleriscaldamento e nel settore industriale.
L’utilizzo del gas naturale si attesta al 40 % circa, i combustibili rinnovabili al 26 %, i
derivati del petrolio al 10 % e il carbone al 14 %.
Danimarca
Il 41 % della produzione elettrica é da cogenerazione, le unità esistenti sono per lo più
accoppiate a reti di teleriscaldamento o a utenze industriali; consistente l’impiego di
combustibili fossili solidi (55%), seguito dal gas naturale (25%) e dai combustibili
rinnovabili (13%).
Finlandia
La cogenerazione copre circa il 35 % della domanda nazionale di elettricità e il 75 % della
domanda di calore; principali applicazioni in teleriscaldamento e usi industriali; forte
impiego di combustibili fossili solidi (31 %) e rinnovabili (44 %), nonché di gas naturale (21
%).
Francia
La cogenerazione contribuisce per meno del 4 % alla produzione di elettricità nazionale, ed
è concentrata soprattutto nelle industrie di larga scala e in alcune reti di teleriscaldamento.
Elevato impiego di gas naturale (58 %) e di combustibili rinnovabili (21 %).
Germania
Circa il 13 % della capacità elettrica totale è in cogenerazione, equamente divisa tra utenze
industriali e reti di teleriscaldamento; prevalente l’impiego di gas naturale (46 %), carbone
(21%) e a combustibile rinnovabile (15%).
Olanda
La cogenerazione contribuisce per circa il 30% alla produzione elettrica annuale, soprattutto
nel settore industriale. Inoltre teleriscaldamento e cogenerazione su piccola scala hanno
quote considerevoli. Forte utilizzo del gas naturale (67 %) e del carbone (15 %).
Spagna
Circa il 7 % della produzione elettrica é cogenerativa, generata soprattutto nel settore
industriale (quasi assente il teleriscaldamento). Prevalente l’utilizzo di gas naturale (77 %)
seguito dai combustibili rinnovabili (9%) e dal petrolio e suoi derivati (7%).
Svezia
La cogenerazione rappresenta circa il 8 % della produzione elettrica totale; utilizzata
soprattutto nelle reti di teleriscaldamento e nelle utenze industriali. Le biomasse sono di
gran lunga il combustibile più utilizzato (62 %) seguite da carbone (10 %) e petrolio (12 %).
Scarso impiego del gas naturale (4 %).
Gran
Bretagna
La cogenerazione rappresenta circa il 6 % della produzione elettrica totale. Importante la
potenza installata su impianti industriali di larga scala. Il gas naturale é oggi il combustibile
principale (72%), seguito da combustibile di processo (20 %).
Romania
La cogenerazione contribuisce per il 18 % alla produzione di elettricità nazionale con scarsa
presenza di autoproduttori. Utilizzo quasi esclusivo di gas naturale (45 %) e carbone (45%).
Polonia
La cogenerazione contribuisce per il 16 % alla produzione di elettricità nazionale con una
minoritaria quota di autoconsumo elettrico (23 %). Quasi esclusivo utilizzo di combustibili
fossili solidi (91%).
Repubblica
Ceca
Circa il 15 % della capacità elettrica totale è in cogenerazione, con una minoritaria quota di
autoconsumo elettrico (30 %); prevalente l’impiego di carbone (82%).
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Concentrandosi sulla realtà italiana, dai dati messi a disposizione dal GSE per l’anno 2006,
risulta che la potenza elettrica installata in impianti cogenerativi si attestava intorno agli
8600 MW, ovvero il 9 % circa della potenza del parco di generazione italiano (il 12 % del
solo termoelettrico); l’80 % di tale potenza risulta installata in impianti di taglia inferiore ai
20 MW, il 30 % in impianti di “piccola cogenerazione” (inferiori ad 1 MW) e solo il 2,5 % in
“micro-cogenerazione” (inferiori ai 50 kW).
La tabella 1.1.2, che mostra la potenza elettrica installata e le taglie medie degli impianti in
diversi settori di attività, mette in luce come la climatizzazione e la produzione di calore a
bassa temperatura rappresenti una quota parte significativa delle installazioni
cogenerative, anche se distribuite su impianti di medio/piccole dimensioni.
Tabella 1.1.2 – Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006)
Attività
taglia media
Potenza installata
(MW elettrici)
(MW elettrici)
Industria chimica e petrolchimica
114.3
2972
Raffinazione petrolio
136.6
2459
Industria cartaria
16.7
835
Industria siderurgica
185.0
370
Industria alimentare
11.9
202
Industria automobilistica
23.1
162
Industria ceramica
3.9
74
Riscaldamento e teleriscaldamento
12.5
Impianti sportivi
0.1
Alberghi e ristoranti
0.1
997
Commercio
0.5
Ospedali
1.0
Case di riposo e simili
1.5
Concerie
2.0
Industria tessile
3.0
529
Articoli in gomma e mat plastiche
3.2
Industria elettronica
9.0
Trasporti aerei
30.5
Per quanto riguarda invece le tecnologie elettriche alimentate a combustibile per la
cogenerazione, ovvero i motori primi utilizzati, i cicli combinati gas-vapore rappresentano
quasi l’80 % delle installazioni, seguiti in secondo ordine dai cicli a vapore semplice (9 %),
dai turbogas semplici (6 %) e dal motori a combustione interna alternativi (5 %). In figura
1.1.2 sono riportate le potenze installate nelle tecnologie più diffuse con riferimento
all’anno 2006.
Diversa è la situazione se si fa riferimento ai soli impianti cogenerativi al di sotto dei 10
MVA (all’incirca 8-10 MW); in tal caso infatti, come si nota dalla figura 1.1.3, diventa
sempre più significativa la presenza delle turbine a gas a ciclo semplice e dei motori
endotermici alternativi. Questi ultimi in particolare, per taglie inferiori ad 1 MW elettrico,
rappresentano la quasi totalità delle installazioni presenti (figura 1.1.4).
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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ciclo
4
combinato
vapore
3
in ciclo semplice
turbogas
2
in ciclo semplice
motori endotermici
1
alternativi
0
1000
2000
3000
4000
5000
potenza installata (MWe)
6000
7000
Figura 1.1.2 - Potenza installata in impianti di cogenerazione suddivisa in funzione
della tecnologia utilizzata (dati GSE, anno 2006)
ciclo
4
combinato
produzione = 356 GWhe
vapore
3
in ciclo semplice
produzione = 1184 GWhe
turbogas
2
in ciclo semplice
produzione = 1762 GWhe
motori endotermici
1
alternativi
produzione = 1148 GWhe
0
50
100
150
200
250
300
potenza installata (MWe)
350
400
Figura 1.1.3 - Ripartizione tra le diverse tecnologie utilizzate per la cogenerazione
con taglia inferiore ai 10 MVA (dati AEEG, anno 2005)
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ciclo
4
combinato
produzione = 1.2 GWhe
vapore
3
in ciclo semplice
turbogas
2
in ciclo semplice
produzione = 26 GWhe
produzione = 8.2 GWhe
motori endotermici
1
alternativi
0
produzione = 169 GWhe
10
20
30
40
50
potenza installata (MWe)
60
70
80
Figura 1.1.4 - Ripartizione tra le diverse tecnologie utilizzate per la cogenerazione
con taglia inferiore ai 1 MW (dati AEEG, anno 2005)
In termini energetici, la cogenerazione in Italia ha contribuito nel 2006, con circa 49 TWh
elettrici prodotti, al 16 % dell’intera produzione elettrica nazionale (il 20 % con riferimento
alla sola termoelettrica), mentre la produzione di calore si è attestata intorno ai 39 TWh
termici.
Il consumo di combustibile, nello stesso anno, è risultato pari a 130 TWh con la seguente
ripartizione: il 70 % è rappresentato dal gas naturale, il 20 % da combustibile di processo e
circa l’8 % da olio combustibile e suoi derivati (gpl e gasolio).
La figura 1.1.5, che illustra l’evoluzione negli ultimi anni della potenza installata e della
produzione degli impianti cogenerativi italiani, evidenzia il forte incremento delle
installazioni e della produzione elettrica (+ 36 %) a fronte di un più modesto aumento della
produzione di calore ( + 8%).
9000
50
8000
potenza elettrica
installata
produzione
elettrica
7500
7000
45
40
produzione (TWh)
potenza installata (MWe)
8500
6500
6000
2003
produzione
termica
2004
anno
2005
35
2006
Figura 1.1.5 - Evoluzione della potenza e della produzione da cogenerazione dal 2003 al 2006
(dati GSE)
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2. Il quadro normativo/legislativo
2.1 L’inquadramento istituzionale della cogenerazione in Italia:
una evoluzione lunga 100 anni
La cogenerazione di elettricità e calore, o di elettricità e freddo, o di tutte e tre queste
forme di energia, è una tecnologia ben nota.
Nell’ottocento le industrie avevano caldaie sia per la produzione di calore per i processi,
sia per la generazione di energia meccanica con motori a vapore a pistoni. Nella prima
metà del secolo scorso molte industrie, specie tessili, cartarie, dello zucchero, con forte
utilizzo di calore di processo (calore distribuito tramite vapore) producevano l’elettricità
di cui avevano bisogno generando il vapore ad una pressione più elevata di quella
necessaria per il processo e facendolo espandere in una turbina a vapore fino alla
pressione richiesta per il processo. Questo schema era definito autoproduzione e si basava
su carbone (preziosissimo) tutto importato, e che, nel primissimo dopoguerra, era pagato
anche in natura, mandando minatori a lavorare nelle miniere, specie del Benelux.
Tutt’altro era il mestiere delle società elettriche italiane; esse generavano elettricità da
impianti idroelettrici (tanto cemento per dighe, acciaio per tubi, ma niente calore), e la
vendevano con reti proprie, costruite in concessione dai Comuni. I rapporti fra le imprese
industriali con autoproduzione elettrica e le imprese elettriche erano regolati nell’ambito
del diritto privato e degli obblighi del concessionario della rete di distribuzione. I “grandi“
impianti con turbina a vapore erano costruiti quasi esclusivamente per le navi passeggeri.
La scintilla scoppiò nel 1961-63 con la nazionalizzazione dell’energia elettrica; allora le
industrie, forti del dettato di cui all’art. 4 comma 6 della legge n. 1643 del 1962 (legge
ispirata dall’articolo n. 43 della Costituzione) e in opposizione al governo allora in carica,
salvarono i loro impianti dalla nazionalizzazione della generazione e della rete elettrica; i
rapporti con la rete pubblica costituirono oggetto di leggi, regolamenti e norme pubbliche.
L’autoproduttore, che aveva necessità di collocare la sua energia elettrica prodotta in
eccesso rispetto ai suoi bisogni, si trovò come un cliente che volesse convincere un fornaio
a comprargli del pane appena fatto che gli avanzava. La sicurezza del proprio personale
operante nella rete di distribuzione fu un ottimo argomento usato dal nuovo monopolista
nazionale per cercare di respingere i tentativi dei “privati” di utilizzare la rete stessa,
peraltro qualificata come servizio pubblico. Questo concetto si sarebbe potuto rafforzare
ulteriormente con una serie di normative tecniche che privilegiassero la proprietà della
rete rispetto all’eventuale utilizzo di terzi: infatti è quanto venne attuato. Gli
autoproduttori cercarono allora di far valere la qualità energetica della loro elettricità:
grazie all’utilizzo del vapore scaricato gli impianti a contropressione potevano dichiarare
consumi specifici per la generazione elettrica dell’ordine di 1100-1200 kcal/kWhe (ovvero
rendimenti del 72-78 %), mentre l’ENEL (che si era dovuto buttare negli impianti
termoelettrici per seguire l’espansione della domanda del Paese che si industrializzava e si
arricchiva di elettrodomestici) generava con consumi specifici dell’ordine di 2500-2700
kcal/kWhe (ovvero rendimenti del 32-34 %); per fortuna le raffinerie avevano abbondante
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ed economico olio pesante residuo. In nome dell’efficienza e delle minori importazioni per
il Paese, gli autoproduttori, sia pur sempre mal tollerati, riuscirono così a sopravvivere ed
ad espandersi in settori come il chimico ed il petrolchimico.
Con l’arrivo della prima crisi energetica del ‘73 gli argomenti della maggiore efficienza
ripresero fiato. Dopo la seconda crisi del ’81, la prima legge di incentivazione
dell’efficienza (la n. 308/82), premiò con contributi la cogenerazione pur sempre legata
all’autoconsumo prioritario, sia per gli impianti delle industrie, sia per i nascenti impianti
delle aziende municipali di teleriscaldamento urbano. L’espansione della cogenerazione al
settore civile venne favorita dalla normativa fiscale che permise di sgravare buona parte
del calore recuperato dai generatori operanti in cogenerazione dal peso delle accise sui
combustibili da riscaldamento. Nel frattempo ci fu un’evoluzione delle tecnologie: bandito
il carbone, costoso l’olio combustibile a basso tenore di zolfo per gli impianti a vapore, si
introdusse l’uso del gas nelle vecchie caldaie, nelle nuove turbine e nei motori a ciclo Otto;
sostanzialmente la cogenerazione si diversificava anche tecnicamente dalla pura
generazione per la rete.
Nei primi anni ‘90, a seguito della mancata capacità del monopolista nazionale ENEL di
realizzare le centrali previste, le leggi n. 9 e n. 10 del 1991, attuate dal meccanismo del
CIP6/92, favorivano gli imprenditori industriali nel costruire impianti per produrre per la
rete nazionale, purché o in cogenerazione con caratteristiche di efficienza o purché basati
sull’impiego di combustibili di recupero (catrame, gas di altoforno, rifiuti urbani).
L’evoluzione si completava nel ‘99 con il decreto D.Lgs. 79/99 di liberalizzazione delle
attività di generazione elettrica con modifica globale di tutti gli aspetti istituzionali. Il
Decreto introdusse anche il nuovo meccanismo di incentivazione per le fonti rinnovabili, i
certificati verdi e prevedeva l’avvio del meccanismo dei certificati bianchi per l’efficienza
energetica.
La definizione istituzionale di cogenerazione efficiente risulta basata finora in Italia su
un’analisi di efficienza rispetto alla produzione separata di elettricità e calore, procedura
del tutto logica in un Paese che produce calore ed elettricità con le stesse tipologie di
combustibile. Con la successiva direttiva 2004/8/CE si affermava una formulazione
differente, basata su un criterio di efficienza nell’utilizzo del combustibile, scelta congrua
per i Paesi europei che generano elettricità da nucleare e carbone, ma penalizzante per
larga parte dei nostri impianti.
Negli anni ‘80 venne introdotto anche il concetto di generazione distribuita che prevede
una rete di impianti utilizzanti risorse locali rinnovabili o combustibili fossili, operanti
però in cogenerazione secondo le esigenze locali di calore. Queste proposte dovrebbero
favorire il decentramento dei sistemi energetici, favorire la partecipazione e le accettazioni
locali, aumentando flessibilità ed affidabilità. Alla generazione distribuita si accoppia
perciò il panorama della mini e micro cogenerazione e delle reti intelligenti o smart grid,
necessarie per far funzionare tutto il sistema in modo interattivo, minimizzando l’uso delle
risorse primarie, grazie ad accumuli di tipo termico ed elettrico. Allo stato attuale questo
rimane un argomento di tendenza sul quale stanno avviandosi le prime esperienze , anche
in Italia, nel VII Programma Quadro della U.E.
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2.2 La situazione attuale in Italia
L’attuale quadro legislativo italiano (in vigore ad aprile 2009), in materia di cogenerazione,
prende forma dai decreti legislativi di liberalizzazione del settore elettrico e del gas
(decreto legislativo n. 79 del 16 marzo 1999, decreto legislativo n. 164 del 23 maggio 2000).
Tali decreti prevedono una serie di benefici per gli impianti cogenerativi che rispettano, in
termini di produzione termica e risparmio di combustibile, le condizioni definite
dall’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas con le delibere n. 42/02 del 19 marzo 2002,
n. 296/05 del 29 dicembre 2005, n. 307/07 del 6 dicembre 2007 e, infine, con la delibera n.
ARG/ELT 145/08 del 2 ottobre 2008.
Le condizioni previste dalla delibera AEEG 42/02 e successivi aggiornamenti
La produzione combinata di energia elettrica e calore che rispetta le condizioni previste
dalla delibera 42/02 viene definita “Cogenerazione ad Alto Rendimento”, sulla base di quanto
riportato nell’art. 3 del decreto legislativo n. 20 del 8 febbraio 2007.
Tale decreto introduce anche il concetto di “Garanzia di origine” (GOc) dell’elettricità
prodotta da cogenerazione ad alto rendimento: si tratta di un documento, rilasciato su
richiesta del produttore dal GSE attraverso unʹapposita procedura, per produzioni annue
superiori a 25 MWhe, che accompagna l’energia elettrica prodotta da un sistema
cogenerativo ad alto rendimento. La GOc attesta: lʹubicazione dellʹimpianto, la tecnologia,
il combustibile e il suo PCI, la quantità di combustibile utilizzata e l’elettricità da
cogenerazione prodotta mensilmente, l’uso del calore cogenerato e il risparmio di energia
primaria (Primary Energy Saving - PES, come meglio descritto al paragrafo 2.4).
La delibera 42/02 impone ad un impianto cogenerativo di produrre almeno una quantità
minima di calore e di conseguire un risparmio di energia primaria; tali condizioni
vengono espresse attraverso il limite termico (LT) e l’indice di risparmio energetico (IRE):
−
LT > LTmin
−
IRE > IREmin
Il limite termico è definito come:
LT =
Et
Ee + Et
Ec = energia del combustibile utilizzato, valutata nel corso
dell’anno solare, con riferimento al potere calorifico
inferiore;
Ee = energia elettrica al netto degli ausiliari prodotta nell’anno
solare dall’impianto cogenerativo;
Et = energia termica utile prodotta nell’anno solare, utilmente
utilizzata a scopi civili o industriali.
e rappresenta la quota parte di produzione termica dell’impianto cogenerativo, rispetto
alla produzione totale: un LT pari a 0,10 sta a significare che il 10% della produzione totale
dell’impianto cogenerativo è dovuta al calore.
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L’IRE è invece definito come:
IRE = 1 -
Ec
Ee
E
+ t
η es p η ts
η es = rendimento elettrico netto di riferimento della produzione
elettrica separata;
η ts = rendimento termico di riferimento della produzione
termica separata;
p = coefficiente che tiene conto delle perdite di trasporto e
trasformazione dell’energia elettrica.
e rappresenta, di fatto, il risparmio di combustibile che l’impianto cogenerativo è in grado
di conseguire rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica: un IRE pari a
0,10 sta a significare che l’utilizzo della cogenerazione permette un risparmio di
combustibile pari al 10%.
I valori limite dell’IRE e del LT, così come i rendimenti elettrici e termici di riferimento,
vengono definiti dalla stessa delibera 42/02, aggiornata sulla base di quanto riportato nelle
delibere 296/05 e 307/07 che definiscono i parametri di riferimento in vigore fino al 31
dicembre 2009.
In particolare, come risulta dalle figure e dalle tabelle sotto riportate, tali valori sono
espressi in funzione della taglia dell’impianto, del tipo di combustibile utilizzato, e, nel
caso dell’energia termica, anche in funzione dell’impiego civile o industriale del calore.
Tabella 2.2.1 - Valori limite del LT
impianti a gas, gpl, gasolio
tutti gli altri impianti
< 10 MWe
tra i 10 e i 25 MWe
> 25 MWe
0,33
0,22
0,15
0,15
Tabella 2.2.2 - Valori limite dell’IRE
Impianti nuova
Impianti
costruzione
esistenti
IRE min
0,10
0,05
Rifacimenti
0,08
Tabella 2.2.3 - Rendimento termico di riferimento
η ts
uso civile
uso industriale
0,80
0,90
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0.56
0.54
gas naturale, gpl, gasolio
0.52
η
es
olio combustibile, nafta
0.50
0.48
0.46
0.44
0.42
0.40
0.38
1
10
25
50 100
500
0.34
200
300
0.36
taglia dell'impianto [MWe]
Figura 2.2.1 - Rendimenti elettrici di riferimento secondo la delibera 42/02
(il caso del gas naturale, gpl, gasolio, olio combustibile e nafta)
1.00
0.99
p
0.98
alta tensione
0.97
media tensione
0.96
0.95
bassa tensione
0.94
0.93
0.92
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Energia elettrica immessa in rete / Energia elettrica totale
Figura 2.2.2 - Coefficiente p secondo la delibera 42/02
La figure 2.2.3 e 2.2.4 che seguono permettono di individuare, per due casi specifici di
impianti di nuova costruzione, le prestazioni energetiche2 con cui l’impianto cogenerativo
deve lavorare per ottenere la qualifica di cogenerazione ad alto rendimento.
2
Con prestazioni energetiche del cogeneratore sono qui da intendersi i rapporti Ee e Et , ovvero tra
Ec
Ec
l’energia elettrica e termica prodotta e il consumo di combustibile. Tali grandezze altro non sono che il
rendimento elettrico e termico dell’impianto cogenerativo, valutati con riferimento alla produzione annua e
al consumo annuo di combustibile.
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1.0
E /E
t
- taglia inferiore a 1 MW
c
e
- combustibile: gas naturale
- bassa tensione
- energia elettrica autoconsumata
- uso civile del calore
0.8
0.6
0.4
COGENERAZIONE
AD ALTO
RENDIMENTO
0.2
LT=0.33
0.0
0.0
0.2
IRE=0.1
0.4
0.6
0.8
E /E
e
1.0
c
Figura 2.2.3
1.0
E /E
t
- taglia compresa tra 50 e 100 MWe
c
- combustibile: gas naturale
- alta tensione
- energia elettrica immessa in rete
- uso industriale del calore
0.8
0.6
0.4
IRE=0.1
COGEN
AD ALTO
RENDIMENTO
0.2
LT=0.15
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
E /E
e
1.0
c
Figura 2.2.4
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I benefici per la “cogenerazione ad alto rendimento”
I principali benefici previsti per la cogenerazione ad alto rendimento, che quindi
prevedono il rispetto dei parametri della delibera AEEG 42/02 e l’invio al GSE dei dati
dell’impianto possono essere riassunti nei seguenti punti:
−
priorità di dispacciamento dell’energia elettrica prodotta da cogenerazione rispetto a
quella prodotta da fonti convenzionali (art. 11, comma 4, del Decreto Legislativo 16
marzo 1999, n. 79);
−
accesso alla disciplina dello scambio sul posto dell’energia elettrica prodotta (per
taglie fino a 200 kW elettrici), secondo le regole previste dalla deliberazione n.
ARG/ELT 74/08 del 3 giugno 2008 dell’Autorità per l’energia elettrica ed il gas. Il
meccanismo permette di scambiare energia con la rete, immettendo la produzione in
eccesso e prelevando quando i consumi superano la produzione. La compensazione
tra l’energia immessa e quella prelevata è di tipo economico, basato sul valore
dell’energia al momento dell’immissione o prelievo dalla rete. Le eventuali eccedenze
possono essere portate a credito per gli anni successivi o se si opta per la vendita,
riconosciute come ricavo;
−
possibilità di ottenere l’emissione di titoli di efficienza energetica3 (Certificati Bianchi)
istituiti con i Decreti 20 luglio 2004 del Ministero delle Attività Produttive, di
concerto con il Ministro dell’Ambiente e della Tutela del Territorio;
−
esenzione dall’obbligo di immettere una quota di energia elettrica prodotta da fonti
rinnovabili (o dall’obbligo di acquisto dei relativi certificati verdi) cui sono soggetti i
produttori e gli importatori di energia elettrica da fonti non rinnovabili con
produzioni o importazioni annue eccedenti i 100 GWh (art. 11, commi 1, 2 e 3 del
Decreto Legislativo 16 marzo 1999, n. 79);
−
la possibilità di applicare condizioni tecnico-economiche semplificate per la
connessione, come definite dall’Autorità con la Deliberazione n. ARG/elt 99/08.
−
possibilità di richiedere la garanzia di origine4 dell’elettricità prodotta da impianti
di Cogenerazione ad Alto Rendimento (GOc) per produzioni superiori ai
25 MWh/anno.
Come si vedrà più avanti, gli impianti cogenerativi possono inoltre beneficiare
dell’agevolazione fiscale sull’acquisto di parte del combustibile: accisa ridotta sul gas
naturale, GPL, etc. utilizzato per la cogenerazione (Decreto Legislativo n. 504/95 e s.m.i),
peraltro valida anche per gli impianti non riconosciuti ad alta efficienza, perché disposta
secondo un criterio di equiparazione fra tipo di uso finale.
valido solo per alcune soluzioni cogenerative e previo ottenimento della garanzia d’origine.
La GOc, introdotta dal D. Lgs. 20/07 e regolata dalle procedure approvate con D.M. 6/11/07 viene rilasciata dal GSE,
a consuntivo, su richiesta del produttore da inoltrare entro il 31 marzo di ogni anno. La GOc riporta:
• a) ubicazione dell'impianto e la tecnologia;
• b) il combustibile, il suo PCI, il consumo mensile di combustibile e la corrispondente produzione netta di
energia elettrica
• g) l’uso del calore generato insieme all'elettricità;
• h) il risparmio di energia primaria.
3
4
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Se la potenza nominale è al di sotto di 10 MVA, come qualsiasi impianto di generazione
elettrica, può accedere al meccanismo del “ritiro dedicato” secondo la delibera AEEG
280/07 del 6 novembre 2007 e s.m.i., che permette di cedere alla rete elettrica tutta l’energia
prodotta o parte di questa, valorizzandola al prezzo zonale orario espresso dalla borsa
elettrica.
A tali benefici è da aggiungere, nel caso in cui vengano utilizzati combustibili rinnovabili,
la possibilità di ottenere e vendere i certificati verdi5 (CV): agli impianti entrati in esercizio
dal 1 gennaio 2008 vengono riconosciuti CV per i primi 15 anni di esercizio.
Anche per gli impianti di cogenerazione alimentati da fonti non rinnovabili abbinata al
teleriscaldamento, entrati in esercizio tra settembre 2004 e dicembre 2006, o prima del 2009
se l’inizio dei lavori di costruzione o l’autorizzazione è precedente al 2007, vi è la
possibilità di accedere per 8 anni, ai certificati verdi per l’energia termica utile immessa
nella rete di teleriscaldamento, così come previsto dal comma 71 della legge n. 239/04. Per
tali impianti è richiesto il rispetto delle condizioni della delibera AEEG 42/02, la presenza
di un sistema di monitoraggio continuo delle emissioni inquinanti, la certificazione EMAS
se la potenza elettrica supera i 10MW. Vi è inoltre un vincolo di almeno 3.000 MWht forniti
annualmente alle utenze della rete che scendono a 500 MWht se il rendimento annuale
complessivo di ogni sezione di cogenerazione è almeno dello 80%.
Nel caso in cui vengano utilizzati combustibili quali quelli riportati in tabella 2.2.4, il
numero di certificati verdi assegnati è pari all’energia elettrica prodotta, al netto degli
ausiliari, moltiplicato per il coefficiente riportato nella tabella stessa (con un minor
contributo per i gas di discarica, che hanno un minor costo di realizzazione e conduzione,
e una forte incentivazione all’utilizzo delle biomasse agricole e forestali a filiera corta);
inoltre, gli impianti con taglia inferiore al 1 MW elettrico, possono optare, in alternativa ai
CV, per la tariffa fissa omnicomprensiva riportata in tabella6.
L’attuale normativa in materia di certificati verdi e fonti rinnovabili prende forma dal Decreto Legislativo
n.79 del 16/03/99 (decreto Bersani); tale decreto è stato modificato ed integrato dal Decreto Legislativo n. 387
del 29/12/2003 (decreto di attuazione della direttiva europea 2001/77/CE relativa alla promozione
dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili), dalla Legge 239 del 23/08/2004 (legge Marzano Energia),
dal D.L. 1° ottobre 2007 n. 159 come modificato dalla legge di conversione 29 novembre 2007 n. 222
(Collegato alla Finanziaria 2008), dalla Legge n.244 del 24/12/2007 (Legge Finanziaria 2008) nonché dal
Decreto del Ministero dello Sviluppo Economico del 18/12/2008 (D.M. 18/12/2008)
6 i certificati verdi non vengono riconosciuti agli impianti di taglia inferiore a 1 kW elettrico secondo quanto
previsto nel DM 18/12/2008.
5
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Tabella 2.2.4
Fonte
Rifiuti biodegradabili, biomasse diverse da quelle di cui al punto
successivo
Biomasse da attività agricola, allevamento e forestale in filiera corta 7
Gas di discarica e gas residuati dai processi di depurazione e biogas
diversi da quelli del punto precedente
coefficiente
tariffa fissa
moltiplicativo omnicomprensiva
per il CV
€/MWh
1,10
220
1,80
300
0,80
180
Inoltre il Decreto Legislativo 8 febbraio 2007, n. 20 prevede nuove disposizioni tese a
favorire lo sviluppo della cogenerazione, tra cui:
la possibilità di accesso ai certificati bianchi per tutti gli impianti di cogenerazione ad
alto rendimento e l’estensione graduale del diritto d’accesso ai medesimi certificati
anche a soggetti diversi da quelli attualmente titolati, secondo criteri stabiliti tramite
futuro decreto ministeriale, prevedendo inoltre che si equipari al risparmio di gas
naturale il risparmio di forme di energia diverse dall’energia elettrica e dal gas
naturale (articolo 6, commi 1, 2, 3, 4 e 5);
il considerare le particolari condizioni di esercizio delle unità di cogenerazione ad
alto rendimento, da parte dell’Autorità, nella definizione delle tariffe connesse ai
costi di trasmissione e di distribuzione e nella definizione delle condizioni di acquisto
dell’energia elettrica di riserva o di integrazione (articolo 7, comma 4);
le semplificazioni delle procedure amministrative per l’autorizzazione alla
costruzione e alla gestione degli impianti di cogenerazione, con particolare
riferimento alle unità di piccola e di micro-cogenerazione (articolo 8), articolo
peraltro non ancora attuato.
2.2.1 I certificati bianchi
I Decreti Ministeriali del 20 luglio 2004 e loro successive modifiche e integrazioni
prevedono la promozione del risparmio energetico attraverso i certificati bianchi, che
attestano interventi di miglioramento dellʹefficienza energetica presso gli utenti finali.
E’ un meccanismo di “cap and trade”, in cui viene stabilito un obbligo (cap) cui si può
adempiere direttamente o acquisendo certificati che ne dimostrino il raggiungimento.
Lo schema si fonda, come per i certificati verdi (che sono approfonditi al successivo
paragrafo 2.2.2), su un obbligo imposto ad un numero limitato di soggetti - in questo caso
le aziende distributrici di energia elettrica e gas naturale con più di 50.000 clienti finali - di
rispettare degli obiettivi di riduzione dei consumi energetici. I “certificati bianchi”,
chiamati anche “Titoli di Efficienza Energetica” (TEE), attestano il conseguimento di tali
7
il coefficiente moltiplicativo vale indipendentemente dal fatto che il calore generato venga utilizzato o
meno.
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risparmi attraverso l’applicazione di tecnologie e sistemi efficienti. I certificati vengono
emessi dal Gestore del Mercato Elettrico (GME) a favore dei distributori, delle società
controllate dai distributori medesimi, di società operanti nel settore dei servizi energetici
(ESCO) o di società ed enti che abbiano espletato l’obbligo di nomina dell’energy manager
(come previsto dall’art. 19 della Legge 10/91), sulla base delle certificazioni dei risparmi
conseguiti, effettuate dall’Autorità; un certificato equivale al risparmio di 1 tonnellata
equivalente di petrolio (tep). È l’Autorità che definisce le regole tecniche ed economiche
per l’attuazione del meccanismo e ripartisce annualmente gli obiettivi nazionali tra i
distributori di energia elettrica e gas naturale secondo i criteri definiti dai decreti. Per
dimostrare di aver raggiunto gli obblighi di risparmio, i distributori devono consegnare
annualmente all’Autorità un numero di titoli equivalente all’obiettivo obbligatorio.
Sono previste tre modalità per la quantificazione dei risparmi, attraverso schede (i)
semplificate, (ii) standardizzate o analitiche e (iii) con valutazione a consuntivo.
A seconda della modalità di quantificazione dei risparmi e del soggetto che presenta gli
interventi, la taglia minima passa dai 25 tep/anno per i progetti standardizzati, ai 50
tep/anno per i progetti analitici presentati da ESCO che diventano 100 tep/anno per quelli
a consuntivo. Nel caso la richiesta di riconoscimento dei risparmi conseguiti/emissione dei
titoli sia presentata da distributori ed energy manager le soglie negli ultimi due casi
diventano rispettivamente 100 e 200 tep/anno.
La cogenerazione e il teleriscaldamento in campo civile sono oggetto delle schede
analitiche 21 e 22 (delibera AEEG 177/05); essendo tali schede sospese dal 2006 per un
ricorso non vengono riconosciuti TEE per impianti cogenerativi in ambito civile, infatti il
regolamento (delibera AEEG 103/03 e s.m.i.) non permette di utilizzare valutazioni diverse
dei risparmi nei casi in cui esista una scheda semplificata, a meno che non intervengano
particolari circostanze. Gli interventi di cogenerazione al di fuori del campo strettamente
civile vanno invece presentati con valutazione a consuntivo; quindi è possibile presentare
le richieste e ottenere i titoli, anche se la procedura è un po’ più complessa e la soglia
minima è più alta (100 o 200 tep/anno). Una delle complessità legata alle valutazioni a
consuntivo è dovuta alla valutazione del risparmio addizionale; ovvero viene riconosciuto
il risparmio che si ottiene con l’intervento non rispetto alla situazione precedente, ma
rispetto al caso in cui nello stesso momento si fosse proceduto all’installazione della
tecnologia media di mercato per lo specifico settore. Vi sono settori industriali in cui la
cogenerazione è pratica comune, quindi viene riconosciuto solo il risparmio dell’impianto
installato rispetto a un impianto di cogenerazione nella media di mercato per quel settore.
La compravendita di titoli avviene o attraverso contratti bilaterali o tramite il mercato dei
titoli di efficienza energetica, organizzato e gestito dal GME, mentre l’Autorità determina
ogni anno l’entità del contributo da erogare ai distributori per il conseguimento dei loro
obblighi. Il contributo è finanziato attraverso un piccolo prelievo dalle tariffe di
distribuzione dell’energia elettrica e del gas, stabilito sempre dall’AEEG, in modo da
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garantire che l’aggravio complessivo sulla bolletta energetica dei consumatori sia sempre
considerevolmente inferiore al beneficio economico complessivo derivante dall’attuazione
del meccanismo: il contributo, dunque, partecipa alla realizzazione degli interventi presso
i consumatori finali riducendone il costo.
2.2.2 I certificati verdi
Il meccanismo dei certificati verdi (CV) promuove la produzione di energia da fonte
rinnovabile, imponendo un obbligo in capo ai soggetti che immettono energia elettrica in
rete. Tale obbligo può essere assolto direttamente dal soggetto o attraverso certificati che
attestano la produzione di una certa quantità di energia elettrica da fonte rinnovabile. I
certificati verdi allo stato attuale certificano la produzione di energia elettrica da fonti
rinnovabili, quali, il vento, le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto
ondoso, le biomasse di origine vegetale e animale o la frazione biodegradabile-biogenica
dei rifiuti.
Il Decreto Bersani (e successive modifiche e integrazioni) ha introdotto lʹobbligo, per gli
operatori che immettono in rete più di 100 GWhe/anno, che almeno il 2% dellʹelettricità
provenga da impianti a fonti rinnovabili entrati in esercizio, a seguito di nuova
costruzione, potenziamento o rifacimento, in data successiva al 1/4/99; non è tuttavia
soggetta all’obbligo l’energia elettrica prodotta dagli impianti cogenerativi ad alto
rendimento. L’obbligo è stato incrementato negli anni: dello 0,35% annuo dal 2004 al 2006
e dello 0,75% annuo dal 2007 al 2012. Requisito necessario al rilascio di CV è la qualifica
degli impianti alimentati da fonti rinnovabili (IAFR) rilasciata dal GSE su richiesta del
produttore; successivamente sempre su richiesta del produttore, viene riconosciuta dal
GSE una quota di certificati verdi proporzionale allʹenergia da fonte rinnovabile prodotta
nell’anno precedente o alla quantità attesa di produzione nell’anno in corso o nell’anno
successivo.
Nel mercato dei CV, la domanda è costituita dallʹobbligo per produttori e importatori di
immettere annualmente una ʺquotaʺ di energia prodotta da fonti rinnovabili, mentre
lʹofferta è rappresentata dai certificati emessi a favore degli operatori con impianti che
hanno ottenuto la qualificazione IAFR dal GSE. Alla produzione di tali impianti entrati in
esercizio prima del 2008, viene riconosciuto un CV ogni MWhe/anno prodotto (in caso di
nuova costruzione, rifacimento, potenziamento o riattivazione); i CV vengono emessi per
la durata di 8 anni, per impianti alimentati da rifiuti non biodegradabili, qualificati ed
entrati in esercizio entro il 31 dicembre 2006 e impianti di cogenerazione abbinata a
teleriscaldamento alimentati da fonte non rinnovabile; per 12 anni, per tutti gli impianti
alimentati da fonti rinnovabili, entrati in esercizio dal 1/4/99 al 31/12/07 più ulteriori 4 anni
al 60% per impianti alimentati a biomassa che presentino determinati requisiti; per 15
anni, per gli impianti alimentati da fonti rinnovabili entrati in esercizio dal 2008.
Gli impianti a fonte rinnovabile entrati in esercizio dal 2008 riceveranno per 15 anni CV,
corrispondenti al prodotto della produzione netta di energia elettrica da fonti rinnovabili
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moltiplicata per il coefficiente, riferito alla tipologia della fonte, in base a quanto stabilito
dalla Finanziaria 2008 e dal suo Collegato. I soli impianti di potenza nominale (media
annua per l’idroelettrico) fino a 1 MWe (o 200 kWe per l’eolico), su richiesta del produttore,
possono accedere, in alternativa ai CV, a una tariffa fissa omnicomprensiva; ogni 3 anni
potranno essere rivisti, con decreto ministeriale, il coefficiente moltiplicativo e la tariffa
fissa. Gli impianti che entreranno in funzione dal 2009 riceveranno CV o tariffa
omnicomprensiva solo se non beneficeranno di incentivi pubblici (nazionali, locali o
comunitari) in conto energia, conto capitale o conto interessi con capitalizzazione
anticipata. I soli impianti alimentati da biomassa a “filiera corta”, peraltro non ancora
chiaramente definita, possono cumulare i CV con incentivi fino al 40% del costo
dell’impianto. E’ da osservare che è prevedibile che l’argomento biomasse venga
globalmente riesaminato. Il concetto di filiera corta va rivisto sia rispetto agli indirizzi
comunitari che rispetto ai problemi di controllo.
Tabella 2.2.2.1 - Coefficiente moltiplicativo e tariffa fissa omnicomprensiva per le diverse fonti rinnovabili
Fonte
Coefficiente
€/MWhe
Eolica (<200 kW)
1.0
300
Eolica (>200 kW)
1.0
n.a.
Eolica off-shore
1.1
n.a.
Solare*
n.a.
n.a.
Geotermica
0.9
200
Moto ondoso e maremotrice
1.8
340
Idraulica
1.0
220
Rifiuti biodegradabili, biomasse diverse da quelle di cui al punto successivo
1.1
220
Biomasse e biogas prodotti da attività agricola, allevamento e forestale da 1.8
300
filiera corta
Biomasse e biogas di cui al punto precedente, alimentanti impianti di 1.8
300
cogenerazione ad alto rendimento, con riutilizzo dell’energia termica in
ambito agricolo
Gas di discarica e gas residuati dai processi di depurazione e biogas diversi 0.8
180
da quelli del punto precedente
*La fonte solare non gode del riconoscimento dei certificati verdi; tuttavia tale fonte viene incentivata con il
meccanismo del “conto energia”
Dal 2008 il prezzo di riferimento dei Certificati è pari alla differenza tra 180 €/MWhe e il
prezzo medio annuo di cessione dellʹenergia elettrica nellʹanno precedente. Tale valore
può essere aggiornato ogni 3 anni con decreto ministeriale.
La compravendita dei CV avviene in un mercato elettronico gestito dal GME o attraverso
contrattazioni bilaterali dei quali devono comunque essere registrate quantità e prezzi.
L’elettricità prodotta da impianti CHP è esente ai sensi del D.Lgs. 79/99 dall’obbligo dei
CV; questa esenzione costituisce un incentivo che è però in corso di riesame.
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24
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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2.2.3 La fiscalità della cogenerazione
La convenienza economica di un impianto di cogenerazione è dovuta non solo alla
possibile maggior efficienza energetica rispetto alla generazione separata e ai costi
(dispacciamento, trasmissione, distribuzione, oneri, etc.) che non devono essere sostenuti
in caso di autoconsumo in loco dell’energia elettrica prodotta, ma anche alla diversa
fiscalità che viene applicata ai combustibili se utilizzati in cogenerazione.
In Italia la fiscalità dei combustibili è molto variabile a seconda dell’utilizzo che viene
fatto, prendendo ad esempio il gas naturale, combustibile principe per la cogenerazione, si
possono avere le seguenti aliquote:
Tabella 2.2.3.1 - Imposte di consumo e valore aggiunto per diversi “usi” del gas naturale
Uso
Civile (0÷480 m3/anno)
Civile (oltre 480 m3/anno)
Industriale
Generazione elettrica
imposta di consumo
[c€/m3]
3,8÷17,1
12÷18,3
0,8÷1,3
0,05
IVA
10%
20%
10÷20%
10%
A tali imposte andrebbero aggiunte anche le addizionali regionali, che tuttavia non
gravano sul gas usato per la generazione elettrica.
La cogenerazione coinvolge la generazione elettrica e l’uso termico civile o industriale, a
seconda del settore di applicazione. Così l’imposizione è quella della generazione elettrica
per un massimo di 0,25 m3 di gas naturale ogni kWhe prodotto, che è il consumo specifico
degli impianti di produzione di energia elettrica stabilito nel 1998 dalla delibera AEEG
16/98.
L’eventuale ulteriore consumo di gas, che si presenta fino a che il cogeneratore ha un
rendimento elettrico inferiore al 42% circa, sarà soggetto all’accisa tipica dell’utilizzatore,
civile o industriale. Allo stesso modo il gas naturale soggetto ad accisa di generazione ha
IVA al 10% mentre quello civile ha IVA al 20%. Si sottolinea che l’IVA è in linea di
principio una partita di giro, quindi non è un particolare peso per chi può “scaricarla”,
mentre lo diventa tipicamente per il settore domestico e pubblico.
Per ogni kWhe prodotto, un utilizzatore civile, se confrontato con uno industriale, avrà un
vantaggio maggiore in termini di minore imposizione fiscale8 (anche di un ordine di
grandezza), senza considerare gli eventuali benefici dell’IVA dimezzata (dal 20% al 10%)
nel caso non possa “scaricarla”.
Nelle valutazioni di fattibilità bisogna essere molto attenti perché ci sono utenze
apparentemente civili cui è riconosciuta l’accisa industriale del gas naturale (es. alberghi,
ristoranti, esercizi della distribuzione commerciale, impianti sportivi non adibiti ad
attività agonistiche e gestiti senza fini di lucro, etc.).
8
Infatti lʹaccisa industriale per produrre l’energia termica in assetto non cogenerativo è circa un decimo di quella civile
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25
accisa con iva sull'accisa [€/m3]
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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0.25
0.2
0.15
civile "piena"
civile CHP
industriale "piena"
industriale CHP
0.1
0.05
0
0%
10%
20%
30%
40%
rendimento elettrico cogeneratore
50%
Figura 2.2.3.2 - Andamento dell’accisa sul gas naturale (comprensiva di IVA sull’accisa stessa) al variare del
rendimento elettrico del cogeneratore e del tipo di utilizzatore
La fiscalità nel teleriscaldamento
Nel caso di cogenerazione asservita a un impianto di teleriscaldamento, è prevista
l’applicazione dell’accisa industriale al gas naturale se la “potenza elettrica istallata per la
cogenerazione è pari ad almeno il 10% della potenza termica erogata all’utenza” (l’art. 26.3
del D. Lgs. 504/95).
Varie interpretazioni successive hanno chiarito che devono essere soddisfatte le seguenti
condizioni:
•
la potenza elettrica del cogeneratore deve essere almeno il 10% della potenza termica
totale ovvero somma della potenza termica del cogeneratore e delle caldaie di
integrazione;
•
l’energia elettrica prodotta su base annuale dal cogeneratore deve essere almeno il
10% dell’energia termica totale fornita da cogeneratore e caldaie di integrazione;
•
l’impianto deve essere gestito in un’ottica di servizio9.
Se così, allora tutto il gas naturale utilizzato, compreso quello delle caldaie di integrazione,
anche se poste al di fuori della centrale di cogenerazione, passa ad accisa industriale10,
anche se il calore è destinato a utilizzatori civili, salvo la quota legata alla produzione
elettrica (0,25 m3/kWhe soggetto ad accisa per la generazione elettrica).
9
L’utente finale deve acquistare l’energia termica dal produttore, che si occupa della gestione dell’impianto
ed è intestatario dell’officina elettrica e dei contratti di acquisto del combustibile; l’utente finale ed il
produttore devono essere cioè soggetti distinti.
10 I riferimenti sono l’art. 26.3 del D. Lgs. 504/95 e alcune circolari del Ministero delle Finanze.
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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In Italia non esiste una definizione univoca di teleriscaldamento per l’applicazione della
suddetta agevolazione, è così possibile ottenerne i benefici anche se l’impianto serve un
solo edificio, purché il sistema sia gestito in un’ottica di servizio, siano rispettati i vincoli
della delibera AEEG 42/02 e il gestore mantenga la proprietà degli impianti e la titolarità
dei contratti di acquisto dei vettori energetici (Determinazione MF 3158/2002). Le
applicazioni per il riscaldamento degli ambienti soggette a fiscalità civile diventano così
economicamente ancora più interessanti.
A titolo di esempio sono riportate due definizioni di teleriscaldamento ritenute
significative; la prima contenuta in una norma tecnica sulla cogenerazione, peraltro citata
nella suddetta Determinazione, la seconda in un decreto ministeriale dedicato
all’incentivazione mediante certificati verdi della cogenerazione abbinata al
teleriscaldamento.
Definizione da norma UNI 8887:1987 “Sistemi per processi di cogenerazione, definizioni e
classificazione”: teleriscaldamento (o riscaldamento a distanza) a cogenerazione è un
“insieme degli elementi funzionalmente associati atti a realizzare e controllare un processo
di cogenerazione, nonché a trasferire, in parte o integralmente, il calore generato al sistema
degli utilizzatori termici non ubicati presso la centrale o sistema di cogenerazione.
La seconda definizione è data da un decreto ministeriale; è molto più articolata ed è valida
ai soli fini del rilascio dei certificati verdi per la cogenerazione asservita a
teleriscaldamento (D.M. 20/10/04 art. 2.3):
“impianto di cogenerazione abbinato a teleriscaldamento è un sistema integrato, costituito
dalle sezioni di un impianto di produzione combinata di energia elettrica e calore […] e da
una rete di teleriscaldamento per la distribuzione del calore, cogenerato dall’impianto di
cogenerazione medesimo, a una pluralità di edifici o ambienti per impieghi connessi
prevalentemente con usi igienico-sanitari e la climatizzazione, il riscaldamento, il
raffrescamento, il condizionamento di ambienti a destinazione residenziale, commerciale,
industriale e agricola, ad esclusione, nel caso di ambienti a destinazione industriale, degli
impieghi in apparecchiature e macchine a servizio di processi industriali.”
La rete di teleriscaldamento deve soddisfare contestualmente le seguenti condizioni:
I.
alimentare tipicamente, mediante una rete di trasporto dell’energia termica, una
pluralità di edifici o ambienti;
II. essere un sistema aperto ovvero, nei limiti di capacità del sistema, consentire
l’allacciamento alla rete di ogni potenziale cliente secondo principi di non
discriminazione;
III. la cessione dell’energia termica a soggetti terzi deve essere regolata da contratti di
somministrazione, atti a disciplinare le condizioni tecniche ed economiche di
fornitura del servizio secondo principi di non discriminazione e di interesse pubblico,
nell’ambito di politiche per il risparmio energetico.
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Regime IVA per il servizio energia da cogenerazione ad alto rendimento e il calore ad uso
domestico da teleriscaldamento
Il servizio energia come definito dal DPR 412/93 e meglio specificato da due circolari del
1998 del Ministero delle Finanze, prevedeva la possibilità di applicazione dell’IVA ridotta
al 10% nel caso di servizio di riscaldamento in ambito domestico, se era rispettato il
cosiddetto decalogo che tra le altre cose prevedeva l’obbligo di: diagnosi energetica,
contabilizzazione del calore fornito, tariffa legata a parametri oggettivi, acquisto dei
combustibili da parte dell’impresa che offre il servizio, etc.
La Finanziaria 2007 ha introdotto alcune modifiche, che anche a seguito di una risoluzione
del 2007 dell’Agenzia delle Entrate sembrano indicare che l’aliquota ridotta si applichi solo
al servizio energia “per la fornitura di energia termica derivante da fonte rinnovabile o
da impianti di cogenerazione ad alto rendimento”.
L’aliquota ridotta si applica anche “alla fornitura di energia termica per uso domestico
attraverso reti pubbliche di teleriscaldamento”.
La trigenerazione
La trigenerazione ovvero l’abbinamento a un impianto di cogenerazione di un sistema
frigorifero ad assorbimento che permetta di utilizzare il calore per fornire energia
frigorifera per il condizionamento estivo degli ambienti, è di sicuro interesse per le
applicazioni in campo civile perché permette di aumentare le ore annue di funzionamento
del cogeneratore. Dal punto di vista fiscale bisogna ricordare che in risposta a un
interpello del 2008 l’Agenzia delle Dogane chiarisce che non viene riconosciuto il
passaggio da accisa civile ad accisa industriale per il gas naturale nel caso in cui il calore
venga utilizzato in un assorbitore che alimenti una rete di teleraffrescamento.
Adempimenti per gli aspetti fiscali
Il passaggio alla fiscalità di generazione elettrica prevede l’apertura dell’officina elettrica,
la presenza di una stazione di misura fiscale, il controllo e sigillo della stazione di misura e
di alcune componenti dell’impianto da parte di un funzionario dell’ufficio tecnico di
finanza (UTF), la tenuta di un registro di officina da far vidimare una tantum e da
aggiornare giornalmente, il versamento iniziale di una cauzione e periodicamente
dell’imposta erariale per l’energia elettrica consumata.
Questi adempimenti hanno una incidenza in termini di tempi e di costi il cui peso rispetto
ai benefici cresce al diminuire della taglia dell’impianto, diventando davvero importante
per impianti di microcogenerazione.
Esiste una procedura semplificata nel caso di (co)generatori di potenza non superiore a 100
kWe utilizzati circa 2184 ore all’anno (7 ore al giorno per 312 giorni); si può scegliere il
regime forfettario di abbonamento al canone dell’imposta erariale di consumo. Con
l’abbonamento non è richiesta la stazione di misura fiscale, né la cauzione, dato che il
pagamento è anticipato e non c’è l’obbligo di tenere il registro, con annotazione giornaliera
né della verifica e piombatura dell’impianto da parte dell’UTF prima dell’inizio
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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dell’attività. Il passaggio di fiscalità avviene in base al combustibile utilizzato, al
rendimento della macchina e alle ore di funzionamento previste dall’abbonamento.
Se l’impianto ha una potenza nominale inferiore a 1kWe l’energia elettrica non è
sottoposta ad accisa (art. 52 D.Lgs. 504/95), quindi non c’è bisogno di alcun adempimento,
ma purtroppo non è neanche riconosciuto il passaggio di fiscalità (di parte) del
combustibile utilizzato penalizzando quindi particolarmente gli utenti civili rispetto a
quelli industriali.
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2.3 Le direttive Comunitarie e le leggi dei singoli stati europei
Le direttive Comunitarie
Dall’inizio degli anni ’90 sono molteplici i documenti prodotti dalla Comunità Europea –
siano essi risoluzioni, delibere, decisioni ed altro – volti a promuovere la diffusione della
produzione combinata di elettricità e calore.
Ultimi, in ordine di tempo ed importanza, la direttiva n. 2004/8/CE del Parlamento e del
Consiglio europeo dell’11 febbraio 2004, sulla promozione della “cogenerazione basata su
una domanda di calore utile nel mercato interno dell’energia” e le relative decisioni collegate del
21 dicembre 2006 (2007/74/CE ) e del 19 novembre 2008 (2008/952/CE) 11.
I contenuti di tale direttiva verranno descritti più in dettaglio nel prossimo paragrafo
presentando la futura normativa italiana, visto che l’Italia - come evidenzia la tabella 2.3.1
che riporta lo stato di attuazione della direttiva nei 27 stati membri dell’Unione Europea ha recepito tale direttiva con il decreto legislativo 20/07.
Tabella 2.3.1 – Stato di recepimento della 20004/8/CE (informazioni raccolte a inizio 2009)
Stato Membro
direttiva
Stato Membro
direttiva
2004/8/CE
2004/8/CE
Austria
Belgio
Bulgaria
Cipro
Danimarca
Estonia
Finlandia
Francia
Germania
Grecia
Irlanda
Italia
Lettonia
Lituania
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
Lussemburgo
Malta
Paesi Bassi
Polonia
Portogallo
Regno Unito
Repub. Ceca
Romania
Slovacchia
Slovenia
Spagna
Svezia
Ungheria
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
recepita
Tra i documenti precedentemente prodotti sono da citare la delibera 92/42/CEE, la risoluzione “Strategia
comunitaria per promuovere la produzione combinata di calore e elettricità” del 18 dicembre 1997, la
comunicazione della Commissione europea del 15 ottobre 1997, COM(97)514, per la definizione di una
strategia comunitaria volta a promuovere la produzione combinata ed eliminare le barriere al suo sviluppo,
nonché il “Piano di azione per la promozione dell’efficienza energetica nella Comunità europea”,
COM(2000)247, adottato il 26 aprile 2000 e che prevede espressamente la promozione della cogenerazione tra
le misure individuate per favorire l’efficienza energetica nei settori industriali e civili.
11
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Definizione di cogenerazione nei Paesi europei
Di fatto, non esiste un consenso internazionale sulla definizione quantitativa di impianto
di cogenerazione e la situazione nei diversi Paesi europei è molto varia:
•
in alcuni Paesi (come Germania, Grecia, Austria e Lussemburgo) si fa riferimento al
rendimento di primo principio12 per stabilire una soglia minima al di sopra della
quale incentivare la cogenerazione;
•
il rendimento di secondo principio o exergetico13, nonostante sia quello più corretto
dal punto di vista termodinamico, non è utilizzato: l’analisi exergetica è infatti poco
nota e di più complessa applicazione rispetto alle altre metodologie. In Olanda e
Portogallo si fa riferimento ad un indice di primo principio, corretto in modo da
avvicinarsi a quello di secondo principio: l’energia termica viene moltiplicata per un
coefficiente riduttivo che vorrebbe avvicinarsi al concetto di coefficiente di Carnot;
•
l’indice IRE è sicuramente il più diffuso nella letteratura internazionale ed in Europa
è adottato, con alcune varianti, da Italia, Francia e Belgio. In Francia e Belgio si valuta
prendendo come riferimento un ciclo combinato ad alta efficienza (ηes=0,54 per la
Francia e ηes=0,55 per il Belgio), mentre in Italia il rendimento elettrico di riferimento
è differenziato in base alla taglia dell’impianto ed al combustibile utilizzato. Nelle
normative italiana e francese, inoltre, per tenere conto del risparmio che gli impianti
di cogenerazione eventualmente determinano a livello di perdite sul sistema elettrico
nazionale, si introduce un coefficiente riduttivo di ηes. Tale coefficiente rappresenta le
minori perdite di trasporto e di trasformazione dell’energia elettrica che gli impianti
12
Si definisce rendimento di primo principio ηI =
Ee + Et
.
Ec
Confrontare i rendimenti degli impianti di generazione separata con un rendimento di primo principio di un
impianto cogenerativo non è concettualmente corretto in quanto si da lo stesso peso a due forme di energia
diversamente pregiate dal punto di vista termodinamico.
Utilizzare una definizione di questo tipo porta quindi ad ottenere valori di rendimento molto alti (si
raggiungono facilmente valori del 70-80%), ma non pienamente significativi che fanno apparire la
cogenerazione come il sistema di gran lunga più efficiente per la conversione dell’energia in quanto neanche
i grandi cicli combinati alimentati a gas naturale raggiungono tali livelli di efficienza.
 T 
Ee +Et 1− a 
 Tmed .
13 Si definisce rendimento di secondo principio o exergetico η =
II
EXc
Nella definizione di ηII il termine moltiplicativo di Et rappresenta il rendimento di Carnot mentre i termini
Ta e Tmed rappresentano rispettivamente la temperatura ambiente e quella media di scambio termico
(coincidente con quella di transizione di fase per evaporatori e condensatori o media logaritmica per
scambiatori di calore generici dove non si verifica alcuna transizione di fase e lo scambio termico provoca
variazioni di temperatura); al denominatore è presente l’exergia del combustibile che rappresenta il massimo
lavoro estraibile nella conversione reversibile dell’energia chimica.
E’ possibile ricorrere ad una definizione semplificata del rendimento di secondo principio che considera al
denominatore, al posto dell’exergia del combustibile, EXc , il quantitativo di energia che è in grado di liberare
dalla propria combustione, Ec , ovvero semplicemente il prodotto tra la portata di combustibile ed il suo
potere calorifico inferiore; l’errore che si commette utilizzando la definizione semplificata è trascurabile per
cui è usualmente accettata la definizione semplificata.
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cogenerativi comportano quando consumano l’elettricità autoprodotta o quando
immettono energia elettrica nelle reti di bassa e media tensione, evitando le perdite
sulle reti, rispettivamente, di media e di alta tensione;
•
in Spagna si utilizza il rendimento di Ecabert14: la normativa spagnola prevede una
differenziazione del limite inferiore di tale indice in base al tipo di impianto ed un
valore del rendimento termico convenzionale ηts pari a 0,9015;
•
nei Paesi del Nord Europa (come Danimarca, Finlandia e Svezia) è consentita solo la
cogenerazione che consente un recupero integrale del calore: sono quindi proibiti
componenti che consentono di regolare il rapporto elettricità/calore, come camini di
by-pass nel caso di turbine a gas o condensatori freddi per le turbine a vapore. A
questo proposito la normativa finlandese si avvale di un indice elettrico ottimo,
corrispondente ad una cogenerazione con completo recupero del calore;
•
nel Regno Unito è stato introdotto un concetto di “Good Quality CHP”
(cogenerazione di qualità), basato sulla rispondenza delle caratteristiche
dell’impianto ai limiti inferiori imposti da una coppia di indicatori: “Quality Index”
(che rappresenta una sorta di rendimento di primo principio modificato in base alla
taglia ed alla tecnologia dell’impianto cogenerativo in esame) e “Power Efficiency”
(corrispondente al rendimento elettrico dell’impianto ηe). Gli impianti che
rispondono a tali criteri godono di particolari benefici ed incentivi di carattere
economico.
La tabella 2.3.2 riporta la situazione riassuntiva.
14
Si definisce rendimento di Ecabert
ηE =
Ee
Ec −
Et
η ts
E’ espresso come il rapporto tra l’energia elettrica prodotta e la differenza tra l’energia primaria del
combustibile consumata dall’impianto di cogenerazione e l’energia termica utile generata, quest’ultima
divisa per il rendimento convenzionale di un generatore di calore; è pertanto un indice che attribuisce alla
sola energia elettrica il risparmio conseguibile, in termini di combustibile, con la cogenerazione.
15 Anche la normativa americana prevede l’utilizzo del rendimento di Ecabert; differentemente da quella
spagnola in America l’EPA (Environmental Protection Agency ) utilizza nella formula di ηE un rendimento
ηts = 0,80;
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Tabella 2.3.2
Paese
Condizione di
cogenerazione
Richiesta di
calore utile
Richiesta di energia
elettrica
Note
IREmin differenziato nelle
BELGIO
IRE ≥ IREmin
-
-
regioni in cui lo stato federale
è suddiviso
FINLANDIA,
DANIMARCA,
SVEZIA
ηI ≥ ηI MIN
presente
-
FRANCIA
IRE ≥ IREmin
presente
-
-
GERMANIA,
AUSTRIA
ηI ≥ ηI MIN
-
-
-
ITALIA
IRE ≥ IREmin
-
IREmin differenziato per
tipologia d’impianto
ηI MIN differenziato per
presente
tecnologia e combustibile
Utilizzo di un coefficiente
OLANDA,
PORTOGALLO
ηI* ≥ ηI* MIN
correttivo di Et nella
-
-
definizione del rendimento di
primo principio
QImin differenziato per taglia
REGNO UNITO
QI ≥ QImin
-
presente
SPAGNA
ηE ≥ ηE,min
-
-
e tecnologia
ηE,min differenziato per
combustibile
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Meccanismi di supporto alla cogenerazione nei principali Paesi europei
Le attuali normative dei principali Paesi europei presentano meccanismi di supporto alla
cogenerazione molteplici e di diversa natura. In particolare, volendo dare un quadro
sintetico di tali meccanismi, si può operare la seguente classificazione:
incentivi alla costruzione di nuovi impianti: vengono finanziate diverse fasi dell’iter
costruttivo dell’impianto, dallo studio di fattibilità tecnica, ai sussidi in conto capitale
ed esenzioni fiscali;
feed-in tarrifs, ovvero prezzo minimo accordato dal Gestore della rete per l’acquisto di
elettricità da cogenerazione;
sussidi diretti sul kWh elettrico prodotto: al prezzo dell’energia elettrica da
cogenerazione ceduta alla rete é riconosciuto un premio economico in aggiunta al
prezzo medio del mercato di generazione;
esenzioni fiscali: politiche fiscali che introducono tasse per promuovere attività
ecologicamente sostenibili o che defiscalizzano parte del combustibile utilizzato e/o
dell’elettricità prodotta;
certificati verdi: titoli negoziabili che permettono alle imprese che producono energia
da fonti convenzionali di rispettare l’obbligo che ogni produttore o importatore ha di
produrre una certa quantità di energia elettrica da fonti rinnovabili. Per gli impianti
CHP viene data la possibilità di qualificare e rilasciare certificati verdi
certificati bianchi: incentivo atto a ridurre il consumo energetico in relazione al bene
distribuito;
priorità di dispacciamento: ovvero la garanzia accordata da parte del Gestore della rete
di comprare prioritariamente l’energia prodotta da impianti cogenerativi.
Nella tabella 2.3.3 che segue vengono riassunti, per i principali paesi europei i tratti
salienti delle rispettive normative in materia di cogenerazione con relativi meccanismi di
supporto16.
informazioni tratte da Cogen Europe “Liberalisation and Decentralised Generation in the EU Member States”,
2002 , http://www.cogen.org
16
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34
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Feed-in tariffs
●
Sussidi diretti per kWh
●
Esenzioni fiscali
Certificati verdi
●
●
●
Irlanda
Italia
Grecia
● ●
●
●
●
●B
●D
●
●
●
●
●
●
●
Gran Bretagna
Spagna
Germania
Francia
●
Certificati bianchi
Priorità di
dispacciamento
●
Svezia
●
●
●A
Finlandia
Danimarca
●
Portogallo
●
olanda
Incentivi per la
costruzione di nuovi
impianti
Belgio
Austria
Tabella 2.3.3 - Meccanismi di supporto alla cogenerazione in Europa
●
●
●
●
●
●
●C
●
●
●
●
●
●
●
A
sotto considerazione
solo per centrali a biomassa
C
solo con utilizzo di combustibili rinnovabili; la cogenerazione non rinnovabile è tuttavia esentata dall’obbligo di
acquisto dei certificati verdi
D
solo per potenze < 10 MVA
B
2.4 Gli scenari futuri in Italia ed in Europa
Come già accennato, il decreto legislativo 20/07 reca di fatto l’attuazione della direttiva
europea n. 2004/8/CE dell’11 febbraio 2004, sulla promozione della “cogenerazione basata su
una domanda di calore utile nel mercato interno dell’energia”; il decreto prevede nuove regole
per il riconoscimento della produzione combinata di energia elettrica e calore come
“cogenerazione ad alto rendimento”.
Tali nuove regole, che entreranno in vigore dal 1 gennaio 2011, impongono ad un
impianto cogenerativo, in analogia con quanto previsto nella delibera 42/02, innanzitutto
di conseguire un risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata.
L’indice utilizzato per valutare tale risparmio, indicato con l’acronimo PES, Primary Energy
Saving, è nella sua formulazione, del tutto simile all’Indice di Risparmio Energetico
introdotto dalla delibera 42/02, infatti:
Ec
PES = 1 > PESmin
E′e
Et
+
η es p η ts
________________________________________________________________________________
35
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
In questo caso però il valore del PES minimo, per gli impianti di nuova costruzione, viene
differenziato in base alla taglia:
− per gli impianti di taglia inferiore a 1 MW elettrico, PESmin = 0
− per tutti gli altri impianti, PESmin = 0 ,10
Inoltre, nella direttiva europea scompare il limite termico come parametro per limitare
inferiormente la produzione di energia termica del cogeneratore. Al suo posto entra in
gioco il concetto di “elettricità da cogenerazione”: la quantità di energia elettrica annua al
lordo degli ausiliari (come è stato chiarito dalla decisione del 19 novembre 2008) da
introdurre nel calcolo del PES (nella formula indicata con E′e ) non coincide
necessariamente con la produzione elettrica dell’impianto Ee .
L’elettricità da cogenerazione E′e deve essere valutata secondo lo schema di tabella 2.4.1:
se il totale della produzione termica ed elettrica di un anno solare, rapportata al consumo
di combustibile, è superiore ad un valore limite (differenziato per tipologia di impianto),
allora l’elettricità da cogenerazione è tutta quella prodotta dall’impianto ( E′e = Ee ). In caso
contrario occorre calcolare E′e in funzione dell’energia termica prodotta Et in base alla
seguente formula:
E′e = CEt
dove C viene definito rapporto energia/calore.
Tabella 2.4.1
Tecnologia
cogenerativa
- turbine a gas a ciclo
combinato con recupero
di calore
- turbine a presa di
vapore e condensazione
- tutti gli altri impianti
condizione
valore dell’energia elettrica da
cogenerazione, E e′ , da introdurre nel
Ee + Et
> 0 ,80
Ec
calcolo del PES
tutta l’elettricità prodotta dall’impianto
E′e = Ee
Ee + Et
< 0 ,80
Ec
solo parte dell’elettricità prodotta
E′e = CEt < Ee
Ee + Et
> 0 ,75
Ec
Ee + Et
< 0 ,75
Ec
tutta l’elettricità prodotta dall’impianto
E′e = Ee
solo parte dell’elettricità prodotta
E′e = CEt < Ee
Per quanto riguarda poi il valore da attribuire ai rendimenti elettrici e termici di
riferimento, nonché al coefficiente p e al rapporto energia/calore C, la direttiva 2004/08/CE
ne rimanda la definizione alle successive decisioni della Commissione europea.
I rendimenti di riferimento e il coefficiente p
Nella decisione 2007/74/CE - i cui contenuti non sono stati ripresi dal decreto legislativo
20/07 - vengono presentate importanti novità rispetto a quanto previsto nella delibera
42/02.
________________________________________________________________________________
36
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Innanzitutto il rendimento elettrico di riferimento della produzione separata η es non viene
più differenziato in base alla taglia dell’impianto, ma solo in funzione del combustibile: la
tabella 2.4.2 riporta i valori adottati per gli impianti di nuova costruzione con in evidenza i
dati dei combustibili più comuni.
GASSOSO
LIQUIDO
SOLIDO
Tabella 2.4.2 – Rendimento elettrico di riferimento nella 2004/8/CE (anni 2006-2011)
Tipo di combustibile
Carbone fossile/coke
Lignite/mattonelle di lignite
Torba/mattonelle di torba
Combustibili a base di legno
Biomasse di origine agricola
Rifiuti (urbani) biodegradabili
Rifiuti (urbani e industriali) non rinnovabili
Scisti bituminosi
Petrolio (gasolio + olio combustibile residuo), GPL
Biocarburanti
Rifiuti biodegradabili
Rifiuti non rinnovabili
Gas naturale
Gas di raffineria/idrogeno
Biogas
Gas di cokeria, gas di altoforno, altri rifiuti gassosi, calore residuo recuperato
η es
0,442
0,418
0,390
0,330
0,250
0,250
0,250
0,390
0,442
0,442
0,250
0,250
0,525
0,442
0,420
0,350
I valori di tabella sono da riferirsi agli Stati membri che hanno temperature medie annuali
di 15 °C; per gli Stati con temperature medie più alte (come nel caso dell’Italia), occorre
operare una riduzione pari a 0,1 punti percentuali per ogni grado al di sopra dei 15°C.
Viceversa per gli Stati con temperature medie al di sotto dei 15°C occorre aumentare il
rendimento elettrico di riferimento di 0,1 punti percentuali per ogni grado al di sopra dei
15 °C17.
Il fatto che sia scomparso l’effetto taglia dalla definizione della produzione separata di
elettricità è un elemento penalizzante per i piccoli/medi impianti cogenerativi che, nelle
nuove regole, si troveranno comunque a competere con i rendimenti elettrici della grande
produzione; tuttavia tale scelta nasce dalla constatazione che l’alternativa alla
cogenerazione è sempre, per quanto riguarda l’approvvigionamento elettrico, l’acquisto di
elettricità dalla rete e quindi, di fatto, di elettricità prodotta da impianti di grossa taglia.
L’Italia, con una temperatura media annuale intorno ai 18 °C, dovrebbe quindi adottare valori del
rendimento elettrico di riferimento ridotti di 0,3 punti percentuali rispetto ai valori della tabella.
Inoltre, visto che la decisione della Commissione europea prevede la possibilità di definire più zone
climatiche per gli Stati che hanno forti variazioni di temperatura all’interno dei propri confini nazionali, è
possibile che in Italia tale possibilità venga adottata differenziando i rendimenti di riferimento tra il nord e il
sud del Paese.
17
________________________________________________________________________________
37
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
A mitigare la penalizzazione per la piccola cogenerazione (intesa con taglia al di sotto di
un MW elettrico) sono da ricordare, come sopra riportato, una richiesta meno stringente
sul PES minimo e condizioni più favorevoli per il calcolo dell’elettricità da cogenerazione.
Inoltre, i nuovi valori proposti per il coefficiente p rappresentano un ulteriore
incentivazione alla piccola produzione in quanto tendono a favorire l’autoconsumo in
bassa tensione (tipico e più facilmente realizzabile per impianti di piccola taglia): dalla
figura 2.4.1 si può rilevare come, in tal caso, p sia da assumersi pari a 0,86, valore
nettamente inferiore (e quindi favorevole) rispetto a quanto previsto nella 42/02.
1.00
> 200 kV
0.98
p
0.96
100 - 200 kV
50 - 100 kV
0,4 - 50 kV
0.94
0.92
0.90
< 0,4 kV
0.88
0.86
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Energia elettrica immessa in rete / Energia elettrica totale
Figura 2.4.1 - Coefficiente p secondo la decisione 2007/74/CE18
Infine, per quanto riguarda il rendimento di riferimento della produzione termica η ts , la
decisione della Commissione europea prevede valori differenziati per combustibile e per
utilizzo del calore (utilizzo diretto dei gas di scarico o produzione di acqua calda e/o
vapore), come riportato in tabella 2.4.3.
18
In Italia i livelli di tensione sono così suddivisi: BT < 1 kV, MT tra 1 e 35 kV, AT > 35 kV
________________________________________________________________________________
38
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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GASSOSO
LIQUIDO
SOLIDO
Tabella 2.4.3 – Rendimento termico di riferimento nella 2004/8/CE
Tipo di combustibile
Carbone fossile/coke
Lignite/mattonelle di lignite
Torba/mattonelle di torba
Combustibili a base di legno
Biomasse di origine agricola
Rifiuti (urbani) biodegradabili
Rifiuti (urbani e industriali) non rinnovabili
Scisti bituminosi
Petrolio (gasolio + olio combustibile resi- duo), GPL
Biocarburanti
Rifiuti biodegradabili
Rifiuti non rinnovabili
Gas naturale
Gas di raffineria/idrogeno
Biogas
Gas di cokeria, gas di altoforno, altri rifiuti gassosi, calore
residuo recuperato
acqua calda e
vapore
uso diretto dei
gas di scarico
0,88
0,86
0,86
0,86
0,86
0,80
0,80
0,86
0,89
0,89
0,80
0,80
0,90
0,89
0,70
0,80
0,80
0,78
0,78
0,78
0,78
0,72
0,72
0,78
0,81
0,81
0,72
0,72
0,82
0,81
0,62
0,72
L’elettricità da cogenerazione secondo la decisione 2008/952/CE
Nella decisione 2008/592/CE vengono stabilite le linee guida per il calcolo dell’elettricità da
cogenerazione19; vengono cioè indicate le modalità con le quali deve essere valutato il
rapporto energia/calore C nei casi in cui l’efficienza globale del sistema stesso (ovvero il
rapporto tra la somma della produzione termica ed elettrica totale e il consumo di
combustibile) sia inferiore ai limiti riportati in tabella 2.4.1; in tal caso il sistema
cogenerativo viene virtualmente diviso in due diversi sistemi produttivi: uno cogenerativo
– a cui spetteranno i benefici previsti se rispettoso dei vincoli sul PES - e l’altro che viene
trattato come un sistema di sola produzione elettrica (figura 2.4.2).
Nella direttiva 2004/8/CE non era ancora del tutto chiaro come andasse determinato il valore di C; la
direttiva recita infatti testualmente che tale rapporto è “il rapporto tra elettricità da cogenerazione e calore utile
durante il funzionamento in pieno regime di cogenerazione usando dati operativi dellʹunità specifica” e suggerisce, se
tale rapporto non è noto, di utilizzare, “specialmente a fini statistici”, i valori riportati nella tabella che segue;
nella stessa sono riportati anche i dati preliminari di esercizio - per gli anni 2002÷2006 - degli impianti
installati in Italia presentati dal GSE al Microgen Forum nel febbraio 2009.
tipo di unità
C
C
(direttiva 2004/8/CE)
(valori GSE)
turbina a gas a ciclo combinato con recupero di calore
0,95
0,32 ÷ 2,46
turbina a vapore a contropressione
0,45
0,18 ÷ 0,25
turbina a presa di vapore a condensazione
0,45
turbina a gas con recupero di calore
0,55
0,49 ÷ 1,27
motore a combustione interna
0,75
1,05 ÷ 1, 73
19
________________________________________________________________________________
39
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Sono inoltre definiti i confini del sistema di cogenerazione, chiarendo che l’energia
elettricità “prodotta mediante cogenerazione è misurata ai terminali del generatore e il
consumo interno per il funzionamento dell’unità di cogenerazione non viene sottratto”.
Nella Direttiva il periodo di riferimento per il calcolo dell’energia da cogenerazione era
l’anno, mentre la Decisione spiega che il periodo di riferimento per i calcoli è di solito
annuale ma che può variare da un minimo di un’ora a un massimo di un anno. La durata
del periodo di riferimento dovrà quindi essere stabilita da successivi disposti.
Figura 2.4.2
Nelle figure che seguono sono presentati, per le stesse tipologie di impianti analizzate
discutendo l’attuale quadro normativo italiano, le prestazioni energetiche20 con cui
l’impianto cogenerativo deve lavorare per ottenere la qualifica di cogenerazione ad alto
rendimento secondo le nuove regole dettate dalla direttiva europea.
20
Con prestazioni energetiche del cogeneratore sono ancora da intendersi i rapporti Ee e Et , ovvero tra
Ec
Ec
l’energia elettrica e termica prodotta e il consumo di combustibile. Tali grandezze altro non sono che il
rendimento elettrico e termico dell’impianto cogenerativo, valutati con riferimento alla produzione annua e
al consumo annuo di combustibile.
________________________________________________________________________________
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
1.0
E /E
t
- taglia inferiore a 1 MWe
c
- combustibile: gas naturale
- bassa tensione (< 0,4 kV)
- energia elettrica autoconsumata
- uso civile del calore
- C=0.75
0.8
0.6
COGEN
AD
ALTO
RENDIMENTO
0.4
C=0.75
0.2
PES=0
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
E /E
e
1.0
c
Figura 2.4.3
1.0
- taglia superiore a 50 MWe
E /E
t
c
- combustibile: gas naturale
- alta tensione
- energia elettrica immessa in rete
- uso industriale del calore
- C=0.95
0.8
0.6
COGEN
AD
ALTO
RENDIM.
0.4
0.2
C=0.95
PES=0.1
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
E /E
e
1.0
c
Figura 2.4.4
________________________________________________________________________________
41
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
2.5 La situazione extraeuropea
Introduzione [1-5]
A livello mondiale si sta assistendo ad una diffusione degli impianti di cogenerazione
sostenuta sia da politiche ambientali (protocollo di Kyoto) sia economiche
(liberalizzazione del mercato dell’energia elettrica, incentivi).
La Tab. 2.5.1 riporta una sintesi delle politiche per la produzione efficiente dell’energia e
per il risparmio energetico dei principali Paesi extra UE.
Nel seguito si riporta una panoramica delle politiche e dei regolamenti che riguardano la
generazione distribuita e la cogenerazione, considerando singole nazioni o accordi di più
stati legati da progetti di cooperazione.
Stati Uniti d’America [7]
Per quanto riguarda le politiche e la normative che coinvolgono gli impianti di
generazione distribuita e cogenerazione, il governo federale ha emanato delle direttive
guida mediante l’Energy Policy Act del 2005; tuttavia demanda ad organismi nazionali il
compito di legiferare circa l’installazione, la produzione, il risparmio, il dispacciamento e i
contratti di vendita dell’energia elettrica.
I principali enti che, a livello federale, si occupano dell’aspetto normativo per impianti di
cogenerazione sono:
‐ U.S. Department Of Energy (DOE);
‐ U.S. Environmental Protection Agency (EPA);
‐ U.S. Clean Heat and Power Association (USCHPA);
‐ International District Energy Association (IDEA).
Una lista dei progetti di generazione distribuita sponsorizzata dal DOE è reperibile in [6].
L’EPA sostiene un programma per lo sviluppo di impianti CHP, mettendo a disposizione
assistenza tecnica, studi di fattibilità, guida per le normative e sistemi di incentivazione.
Sul sito della “Energy and Environmental Analysis” (EEA) [8] sono riportate le
informazioni presenti nella normativa federale che coinvolgono la generazione distribuita.
Tali informazioni sono di quattro tipologie e riguardano:
- riconoscimenti per l’uso di impianti CHP (possono essere riconosciuti benefici in
proporzione al calore recuperato sotto forma di “sconto” sulle emissioni inquinanti
(modello California), o sotto forma di incentivi destinati all’impianto);
- regolamentazione delle emissioni in aria (il livello delle emissioni dei singoli Stati
segue la “Federal Standards”, anche se sono possibili scostamenti anche considerevoli);
- incentivi economici (possono essere riconosciuti, sia come percentuale del costo
dell’impianto, sia con riferimento all’energia elettrica prodotta);
- requisiti di allacciamento alla rete.
In Tab. 2.5.2 vengono sintetizzate, per ciascuno dei 51 Stati USA, le informazioni presenti
nella normativa federale [8] riguardanti gli impianti di generazione distribuita.
________________________________________________________________________________
42
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Tab. 2.5.1 - Strategie per la produzione di energia e per il risparmio energetico
dei principali Paesi extra UE [4]
USA
Giappone
Canada
Australia
Ratifica protocollo
di Kyoto
Non ratificato (situazione al
09/2005)
Ratificato
(giugno 2002)
Ratificato
(dicembre 2002)
Non ratificato (situazione
al 09/2005)
Obiettivo di
riduzione delle
emissioni di gas
serra (base 1990)
Legge vigente sul
risparmio
energetico
-7%
-6%
-6%
+8%
“Rational Use of Energy”
(1979), e successive
revisioni (1983, 1993, 1998,
2002, 2005)
Sussidi sulla base di “Law
for Supporting Energy
Savings and 3R Assistance
(Energy Reform Tax
System)” e altre misure di
incentivi finanziari
- Ministero
dell’Economia, Lavoro
e Industria
- Ministero del
Territorio,
Infrastrutture e
Trasporti
- Ministero
dell’ambiente
“Energy Efficiency
Act” (1992), con
successive revisioni
(1995, 1997, 1998)
Vari incentivi e sgravi
fiscali
“Stable Energy Supply Plan
2004” e “National
Framework for Energy
Efficiency” NFEE 2004
Vari incentivi e sgravi
fiscali
-
-
“Energy Policy Act” (2005)
Piani di supporto
finanziario per il
risparmio
energetico
Assistenza e incentivi sulla
base di “Comprehensive
Electricity Restructuring Act”
o di “Energy Policy Act”
(2005)
Organizzazioni
governative aventi
giurisdizione sul
risparmio
energetico
-
Dipartimento dell’energia
DOE
Dipartimento dei
trasporti DOT
Agenzia per la protezione
dell’ambiente EPA
Natural
Resources Canada
(NRCan)
-
-
Organizzazioni
che promuovono
il risparmio
energetico
-
Alliance to Save Energy
American Council for an
Energy-Efficient
Economy (ACEEE)
-
-
Maggiori misure
nazionali per la
promozione del
risparmio
energetico
-
-
-
“Energy Policy Act”
(2005) riguardo
l’industria, i trasporti ed i
consumatori finali
Miglioramento delle
infrastrutture
Sviluppo di tecnologie
per il sequestro della
CO2, per l’utilizzo
dell’idrogeno,
dell’energia nucleare,
nuove energie
Nuove misure di sgravio
fiscale
-
-
-
-
New Energy and
Industrial Technology
Development
Organization
The Energy
Conservation Center,
Japan
Forte rafforzamento
della “Law Concerning
Rational Use of Energy
(industria, trasporti e
consumatori finali)
Estensione e revisione
degli impianti “toprunner”
Miglioramento
dell’efficienza di
impianti nucleari
Promozione
dell’energia
rinnovabile
-
-
-
-
-
Energy
Technology
Center
Natural
Resources Canada
(NRCan)
-
Miglioramento
degli standard
per prodotti a
risparmio
energetico
Estensione
dell’uso di
energia
rinnovabile
Miglioramento e
promozione
dell’efficienza
delle
infrastrutture
domestiche
-
-
-
Dipartimento
dell’Industria, Turismo
e Risorse (ITR)
Dipartimento dei
Trasporti e dei Servizi
Regionali (DOTARS)
Dipartimento
dell’Ambiente e del
Patrimonio (DEH)
Australian Greenhouse
Office (AGO)
National Appliance
and Equipment Energy
Efficiency Committee
(NAEEEC)
Promozione
dell’eficienza delle
apparecchiature e degli
edifici
Attuazione di un
report sull’utilizzo
dell’energia da parte
delle imprese
Promozione
dell’energia
rinnovabile
________________________________________________________________________________
43
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Tab. 2.5.2 - Informazioni presenti nella normativa federale per piccoli impianti di generazione distribuita [8]
Riconoscimento per
l’uso di impianti CHP
Regolamentazione delle
emissioni in aria
Alabama
√
Alaska
Arizona
Arkansas
California
Colorado
Connecticut
Delaware
District of Columbia
Florida
Georgia
Hawaii
Idaho
Illinois
Indiana
Iowa
Kansas
Kentucky
Lousiana
Maine
Maryland
Massachusetts
Michigan
Minnesota
Mississipi
Missouri
Montana
Nebraska
Nevada
New Hampshire
New Jersey
New Mexico
New York
North Carolina
North Dakota
Ohio
Oklahoma
Oregon
Pennsylvania
Rhode Island
South Carolina
South Dakota
Tennessee
Texas
Utah
Vermont
Virginia
Washington
West Virginia
Wisconsin
Wyoming
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
Incentivi
economici
Requisiti
allacciamento alla rete
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
________________________________________________________________________________
44
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
California [2,9-14]
Nel seguito si riportano i requisiti sull’efficienza e gli incentivi previsti dallo Stato della
California per gli impianti di cogenerazione.
Requisiti sull’efficienza degli impianti cogenerativi.
Le unità di cogenerazione ricevono un beneficio nel calcolo delle emissioni inquinanti se
presentano i seguenti requisiti di efficienza:
1. coefficiente di utilizzo del combustibile minimo superiore al 60% (non si considera il
calore eventualmente generato ed il corrispondente combustibile consumato in
dispositivi supplementari a fiamma);
2. coefficiente di utilizzo del combustibile medio annuo superiore al 75% (incluso il calore
eventualmente generato ed il corrispondente combustibile consumato in dispositivi
supplementari a fiamma).
Incentivi sul calcolo delle emissioni
Viene riconosciuto uno sconto sulle emissioni agli impianti di cogenerazione che
soddisfino i requisiti di efficienza visti precedentemente.
Infatti, mentre per un impianto di sola produzione di energia elettrica, il valore di
emissione ee che deve sottostare ai limiti imposti viene calcolato come rapporto tra
l’emissione assoluta (in lb) e l’energia elettrica prodotta (in MWh):
ee [lb/MWh] =
emissioni [lb]
,
Ee [MWh e ]
nel caso di impianti di cogenerazione che soddisfino i requisiti di efficienza visti
precedentemente, il valore di emissione ecog che deve sottostare ai limiti imposti (gli stessi
del motore primo non cogenerativo) viene calcolato come rapporto tra l’emissione assoluta
(in lb) e la somma dell’energia elettrica e termica prodotte (in MWh):
ecog [lb/MWh] =
emissioni [lb]
Ee [MWh e ] + E t [MWh t ]
La relazione che lega il calcolo delle emissioni nel caso di cogenerazione (ecog) con quelle
nel caso di sola produzione di energia elettrica (ee) è quindi la seguente:
ecog [lb/MWh] = ee [lb/MWh]
Ee [MWh e ]
Ee [MWh e ] + E t [MWh t ]
Incentivi economici
Il Self-Generation Incentive Program (SGIP) offre degli incentivi per la realizzazione di
impianti per la produzione di energia elettrica con microturbine, piccole turbine a gas,
impianti eolici, fotovoltaici, celle a combustibile e motori alternativi a combustione interna.
Gli incentivi vanno da 0.6 a 4.5 $/W, a seconda della tecnologia utilizzata.
________________________________________________________________________________
45
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Fino al 1/1/2008 erano previsti quattro livelli di incentivazione (si veda Tab. 2.5.3). Nel
settembre 2006, il decreto AB2778 ha esteso il sistema di incentivazione fino al 1 gennaio
2012. Fatta eccezione per le tecnologie solari, che dal 1 gennaio 2007 vengono gestite
separatamente, le tecnologie soggette a politiche di incentivazione dal 1/1/2008 fino al
1/1/2012 sono le celle a combustibile e le turbine eoliche (si veda Tab. 2.5.4).
In particolare gli impianti con celle a combustibile alimentati a combustibile non
rinnovabile che possono beneficiare degli incentivi SGIP, devono soddisfare dei requisiti
sull’efficienza elettrica e termica stabiliti dal decreto AB2778 (sezione 216.6). Questi
requisiti impongono che [12]:
Et/(Et+Ee) ≥ 5%
(Pubilic Utilities Code 216.6 (a))
(Ee+0,5 Et)/Ec ≥ 42,5%
(Public Utilities Code 216.6 (b))
(Public Utilities Code 353.2 e 379.6),
Ee/Ec ≥ 40%
dove: Ee è l’energia elettrica utile su base annua, Et è il calore utile su base annua e Ec è
l’energia del combustibile non rinnovabile su base annua.
Questi incentivi sono riservati ad impianti di potenza compresa fra 3 e 5 MWe. Per
impianti di taglia inferiore vale quanto riportato in Tab. 2.5.5.
Tab. 2.5.3 - Programma di incentivazione per la produzione di energia elettrica fino al 1/1/2008 [2]
Tecnologia
Livello 1
-
Livello 2
-
Fuel cells a combustibile
rinnovabile
Fotovoltaico
Turbine eoliche
-
Fuel cells a combustibile non
rinnovabile
-
Livello 3-R
-
Livello 3-N
-
Microturbine a combustibile
rinnovabile
MCI e turbine a gas a
combustibile rinnovabile
Micro turbine a combustibile
non rinnovabile o gas da rifiuti
MCI e turbine a gas a
combustibile non rinnovabile o
gas da rifiuti
Dimensione
minima
impianto
Dimensione
massima
impianto
Minore tra
4.50 $/W
50% del costo
del progetto
30 kW
1.5 MW
Minore tra
2.50 $/W
40% del costo
del progetto
nessuna
1.5 MW
Minore tra
1.00 $/W
30% del costo
del progetto
nessuna
1.5 MW
Minore tra
1.50 $/W
40% del costo
del progetto
nessuna
1.5 MW
Incentivo offerto
($/W)
-
-
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46
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Tab. 2.5.4 - Programma di incentivazione per la produzione di energia elettrica (1/1/2008 – 31/12/2012) [12]
Livello 2R
Livello 3-N
Tecnologia
Incentivo
($/Watt)
Turbine eoliche
1.50 $/W
celle a combustibile
4.50 $/W
celle a combustibile
2.50 $/W
Dimensione
minima
impianto
Dimensione
massima
impianto
Potenza
massima per
calcolo incentivo
30 kW
5 MW
1 MW
nessuna
5 MW
1 MW
Tab. 2.5.5 - Percentuale dell’incentivo totale in funzione della taglia dell’impianto [12]
Potenza impianto
Percentuale su incentivo totale
0-1 MW
1-2 MW
2-3 MW
100%
50%
25%
Giappone [4]
Con la legge “Law Concerning the Rational Use of Energy”, sono state intraprese delle
misure per sostenere un’energia “pulita”:
- approvazione di norme riguardanti un uso razionale dell’energia;
- linea guida per un utilizzo razionale dell’energia nelle industrie;
- guida per la creazione di un piano a medio-lungo termine riguardo i produttori e le
aziende facenti riferimento alle aziende del Tipo 1 (consumo di energia compreso tra i
1500 e 3000 tep/anno);
- guida per la creazione di un piano a medio-lungo termine riguardo le aziende dei
settori minerari, delle forniture elettriche, della fornitura di gas e di calore, facenti
riferimento alle aziende del Tipo 1.
Le misure di supporto individuate sono:
- supporti basati sulla “Energy Conservation e Recycling Support Law”;
- finanziamenti a tasso agevolato dalla banca dello sviluppo giapponese;
- sistemi fiscali che promuovano investimenti per rinnovare la domanda e la fornitura di
energia;
- supporti per operatori del settore che introducano tecnologie che portino ad un
risparmio energetico;
- consulenze aziendali in materia d’introduzione di tecnologie per il risparmio
energetico.
Requisiti sull’efficienza degli impianti cogenerativi
Non è specificato esplicitamente un criterio che stabilisca un’efficienza minima per un
sistema energetico cogenerativo. I risultati di una ricerca condotta nel 2005/2006 [4] sulla
situazione relativa alla produzione di energia con impianti cogenerativi (basati su turbine
a gas o su motori alternativi a combustione interna, alimentati sia a gas naturale sia a
gasolio) ha mostrato che il coefficiente di utilizzo del combustibile è pari a circa 70-80%,
nel caso di recupero del 100% dell’energia termica disponibile.
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47
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Incentivi
Nel seguito si riportano i programmi di incentivazione secondo l’Official Financial
Assistance Programs dell’anno 2005. I programmi non riguardano solo gli impianti di
cogenerazione, ma anche tutti quegli impianti che permettano di conseguire un risparmio
di energia, come riportato nelle Tabelle. 2.5.6 e 2.5.7, rispettivamente per imprese di grandi
o piccole dimensioni.
Oltre agli incentivi previsti nelle Tabelle. 2.5.6 e 2.5.7, un’azienda o un privato che acquista
un impianto che contribuisca ad un uso efficiente dell’energia e lo utilizzi entro l’anno di
acquisto, può scegliere tra una delle due opzioni seguenti:
‐ esenzione delle tasse nella misura del 7% del costo dell’impianto (con un massimo che
non può superare il 20% dell’imposta dovuta);
‐ ammortamento straordinario del 30% del costo dell’impianto nell’anno di acquisizione,
in aggiunta all’ ammortamento ordinario.
Tab. 2.5.6 - Incentivi per grandi imprese (il numero in % esprime la percentuale di finanziamento)
Obiettivi del progetto
Agenzia
%
DBJ
ODFC
50
DBJ
ODFC
50
1. Progetti per il risparmio energetico
a) Progetti per l’installazione o il miglioramento di attrezzature in accordo con la Energy
Conservation Assistant Law, includendo la ristrutturazione di edifici che contribuiscano a
ottimizzare l’uso dell’energia.
b) Progetti per costruzioni edili secondo piani a medio-lungo termine per il risparmio energetico da
parte dei proprietari o investitori.
c) Progetti per l’installazione o il miglioramento di macchinari di produzione che soddisfino i
requisiti di risparmio energetico previsti nella legge “Energy Conservation Act” (questi macchinari
sono denominati “Top Runner Equipment”).
d) Progetti non industriali che migliorino l’efficienza di utilizzo dell’energia di almeno il 10%.
e) Sistemi di cogenerazione che abbiano un coefficiente di utilizzo del combustibile di almeno il 60% e
potenza di almeno 50 kW (la percentuale di finanziamento di questi progetti è del 40%).
2. Progetti che promuovano un risparmio energetico per il settore industriale di almeno
100 tep/anno
a) Progetti per l’installazione di apparecchiature supplementari per il recupero di energia non
utilizzata (ad esempio, calore di scarto) o attrezzature per aumentare di almeno il 10% l’efficienza
dell’utilizzo dell’energia. Sono inclusi anche i progetti ESCO/ESP.
b) Promozione per l’introduzione nelle aziende di attrezzature che consentano un risparmio
energetico in accordo con la Energy Conservation Assistant Law.
3. Progetti per edifici che promuovano il risparmio energetico (solo progetti ESCO/ESP)
4. Progetti per l’acquisto di attrezzature e macchinari che soddisfino i requisiti previsti dalla
Energy Conservation Act (“Top Runner Equipment”)
5. Progetti per l’installazione di impianti che consentano una migliore distribuzione del carico
elettrico da condizionatori, sistemi che forniscano acqua calda, caldaie rigenerative.
Progetti per il miglioramento di impianti eolici (potenza > 1200 kW)
Progetti per il miglioramento di impianti solari (potenza > 150 kW)
Progetti per l’introduzione delle Fuel Cell che utilizzino calore di scarto. È richiesta una
potenza > 100 kW, ed un rendimento primario di almeno 60%.
Progetti per l’introduzione di impianti a biomassa
Progetti per impianti che utilizzino il calore generato dallo scioglimento della neve o del
ghiaccio
‐
‐
50
DBJ
ODFC
40
DBJ
40
DBJ
40
DBJ Development Bank of Japan
ODFC The Okinawa Development Finance Corporation
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Tab. 2.5.7 - Incentivi per piccole e medie imprese.
Obiettivo del progetto
Agenzia
Promozione di un uso efficiente dell’energia.
Progetti per l’acquisizione di impianti che consentano un risparmio energetico. Possono
partecipare anche progetti che prevedano l’adeguamento di impianti già esistenti, così come i
progetti della ESCO.
Promozione per l’introduzione di attrezzature ad alto rendimento energetico.
Progetti per la sostituzione di vecchi forni industriali e/o vecchie caldaie o introduzione di
apparecchiature supplementari con prestazioni paragonabili con quelle in sostituzione.
Promozione dell’uso di energia proveniente da fonti alternative.
Progetto per l’installazione di impianti che usino combustibili alternativi al petrolio.
‐
‐
‐
JASME
NFLC
ODFC
JASME
NFLC
ODFC
JASME
NFLC
JASME Japan Finance Corporation for Small and Medium Enterprise
NFLC National Life Finance Corporation
ODFC The Okinawa Development Finance Corporation
Australia [15]
Incentivi sul calcolo delle emissioni
Il documento “Technical Guidalines - Generator Efficiency Standards December” (2006)
[15] incentiva gli impianti di produzione di energia elettrica e di cogenerazione ad elevata
efficienza mediante la particolare metodologia di valutazione degli indici di emissione che
devono sottostare ai limiti imposti. Tali indici riferiscono infatti le emissioni all’energia
prodotta.
In particolare, l’Inter-governmental Panel on Climate Change (IPCC) prende in
considerazione l’inquinamento generato da 6 gas ad effetto serra: CO2, CH4, N2O, HFC
(idrofluorocarburo), PFC (perfluorocarburo) e SF6 (esafluoruro di zolfo). Le emissioni
inquinanti di gas ad effetto serra vengono espresse in massa di CO2 equivalente; nel caso
di gas che derivino dalla combustione di combustibili fossili (carbone, derivati del
petrolio, gas naturale) la massa di CO2 equivalente viene valutata mediante l’equazione
[15]:
mCO 2 _equiv [kg] = mCO 2 [kg] + 21 mCH 4 [kg] + 310 m N 2 O [kg]
Per un impianto viene quindi calcolato il Reference Greenhouse Intensity GIR [kgCO2/MWh]
come rapporto tra la massa di CO2 equivalente e l’energia prodotta:
GI R [kg CO 2 /MWh] =
=
dove:
ηI
LHV
F
Mcomb.
(
)
1
FCO 2 [kg CO 2 /kg comb. ] + 21 FCH 4 [kg CH 4 /kg comb. ] + 310 FN 2O [kg N 2O /kg comb. ] =
η I ⋅ LHV [MWh/kg comb. ]
(
)
M comb. [kg]
FCO 2 [kg CO 2 /kg comb. ] + 21 FCH 4 [kg CH 4 /kg comb. ] + 310 FN 2O [kg N 2O /kg comb. ]
E [MWh]
coefficiente di utilizzo del combustibile (per gli impianti di sola produzione di
energia elettrica coincide con il rendimento elettrico)
potere calorifico inferiore del combustibile
coefficiente di emissione (per CO2, CH4, N2O)
combustibile consumato nel periodo di riferimento
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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E
energia prodotta nel periodo di riferimento (per gli impianti di produzione di sola
energia elettrica è l’energia elettrica prodotta, mentre per gli impianti di
cogenerazione è la somma dell’energia elettrica e termica prodotte)
Pertanto, per dato limite a cui deve sottostare il GIR, tanto maggiore è il coefficiente di
utilizzo del combustibile ηI di un impianto (che, come detto, per gli impianti di sola
produzione di energia elettrica coincide con il rendimento elettrico) tanto minore sarà il
valore dell’indice GIR dell’impianto da confrontare con il limite imposto.
Incentivi economici
Il governo australiano non prevede incentivi per impianti cogenerativi che utilizzino
combustibile non rinnovabile. Sono invece previsti incentivi per l’uso delle fonti
rinnovabili e quindi anche per gli impianti cogenerativi che utilizzino combustibile da
fonti rinnovabili.
Asiatic-Pacific partnership
Gli Stati Uniti d’America, assieme ad Australia, Cina, India, Giappone e Corea, hanno
siglato il 12 gennaio 2006 l’accordo Asiatic-Pacific partnership on Clean Development and
Climate (AP6) [3]. I paesi dell’AP6 producono circa la metà del prodotto interno lordo su
base mondiale e rappresentano circa la metà della popolazione mondiale. L’AP6 coordina
la cooperazione tra i vari paesi per raggiungere tecnologie per la produzione di energia
elettrica a bassa (o nulla) emissione di CO2.
Per raggiungere tale obiettivo sono stati individuati dei settori chiave su cui concentrarsi,
tra i quali:
•
Fonti di energia rinnovabile e generazione distribuita
Gli obiettivi previsti per questo settore sono:
- facilitare lo sviluppo di tecnologie per la generazione distribuita alimentata da
fonti rinnovabili;
- individuare le linee di sviluppo e le opportunità per sostenere la diffusione della
generazione distribuita alimentata da fonti rinnovabili, sopratutto nelle zone
rurali, remote ed extraurbane;
- studio sui benefici che possa portare la diffusione di impianti di generazione
distribuita alimentata da fonti rinnovabili;
- promuovere ulteriormente la collaborazione tra i paesi membri in materia di
ricerca, sviluppo e implementazione delle tecnologie per lo sfruttamento delle
energie rinnovabili, tra cui misure di sostegno all’utilizzo di risorse rinnovabili;
- sostenere progetti di cooperazione per la distribuzione di fonti rinnovabili e
tecnologie della generazione distribuita a sostegno dello sviluppo economico e
della lotta alla povertà;
- identificare potenziali progetti che consentano di valutare l’applicabilità delle
fonti rinnovabili e della generazione distribuita alle loro specifiche esigenze.
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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•
Produzione di energia e sua trasmissione
Gli obiettivi previsti per questo settore sono:
- valutare l’opportunità di azioni concrete per sviluppare e sostenere la
distribuzione dell’energia elettrica, la trasmissione e la gestione delle tecnologie
ecosostenibili;
- facilitare la diffusione di tecnologie e processi per migliorare l’efficienza della
produzione di energia elettrica e la sua trasmissione nei paesi membri;
- rafforzare la collaborazione tra i paesi membri per la ricerca e lo sviluppo di tali
tecnologie e processi;
- identificare i potenziali progetti che consentano ai paesi membri di valutare la
fattibilità per impianti di energia proveniente dalle materie prime e le loro
specifiche esigenze;
- individuare le opportunità di rafforzare gli investimenti per un miglioramento
dell’efficienza energetica.
Africa
Il “Cogeneration for Africa project” è un’iniziativa promossa dalla GEF (Global
Environment Facility) a partire da metà 2007. Il progetto nasce a seguito del successo della
cogenerazione nelle isole Mauritius, dove attualmente il 40% del fabbisogno elettrico del
paese è soddisfatto dai rifiuti prodotti dall’industria dello zucchero. Esso promuove l’uso
di sistemi di cogenerazione inizialmente in 7 stati africani: Kenya, Etiopia, Malawi, Sudan,
Uganda, Tanzania e Swaziland. Questo progetto coinvolge industrie agro-alimentari
operanti nel settore dello zucchero e in quello delle trasformazioni (cellulosa, carta,
prodotti forestali, olio di palma, frutta in guscio, sisal e riso). Lo scopo è quello di
promuovere impianti di cogenerazione in Africa ed è sostenuto da un investimento pari a
300 milioni di dollari.
Le attività chiave del progetto sono:
- sviluppo del progetto attraverso studi tecnici per il miglioramento delle tecnologie
impiegate;
- ricerca di finanziamenti;
- dimostrazione dei vantaggi degli impianti di cogenerazione in termini economici e
ambientali;
- promozione di politiche favorevoli allo sviluppo della cogenerazione.
I risultati attesi possono essere sintetizzati come segue:
- durante il periodo iniziale di 6 anni, viene sostenuto lo sviluppo di moderne e più
efficienti tecnologie per la costruzione di impianti per una potenza di 40 MW;
- entro la fine dei 6 anni dovrebbe essere impostata una fase di studio per la promozione
di ulteriori progetti;
- successivamente alla fase iniziale di 6 anni, la cogenerazione in Africa dovrebbe
stimolare l’installazione di ulteriori 200 MW con progetti a medio e lungo termine.
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Bibliografia paragrafo 2.5
[1] EPA. CHP Combined Heat and Power Partnership.
http://epa.gov/chp/documents/chp_partupdate07.pdf
[2] EEA Database on State Permitting Issues for DG-California.
www.eea-inc.com/rrdb/DGRegProject/States/CA.html
[3] Asia-Pacific Partnership on Clean Development and Climate Renewable Energy and
Distributed Generation Task Force. Action Plan.
www.asiapacificpartnership.org/APP%20Action%20Plans/REDGTF_Action%20Plan_Versi
on%202_May07-revised.pdf
[4] Japan Energy Conservation Handbook 2005/2006.
http://www.eccj.or.jp/databook/2005-2006e/pdf/1-7all.pdf
[5] “Cogeneration for Africa” Project.
http://cogen.nnep.org/home
[6] http://www.eere.energy.gov/de/cs_cooling_heating_power_tech.html
[7] Regulatory Requirements Database for Small Electric Generators.
http://www.eea-inc.com/rrdb/DGRegProject/index.html
[8] http://www.eea-inc.com/rrdb/DGRegProject/guide.html
[9] Quantifying CHP Benefits.
http://www.arb.ca.gov/energy/dg/documents/gappd.pdf
[10] Ambient Air Quality Standards.
http://www.arb.ca.gov/legis/legis.htm
[11] Procedure for Converting Emission Data to lb/MW-hr.
http://www.arb.ca.gov/energy/dg/documents/gappc.pdf
[12] Self Generation Incentive Program Handbook.
http://sdenergy.org/uploads/2008_SGIP_Handbook-r1-080516.pdf
[13] ARB Distributed Generation Program.
www.arb.ca.gov/energy/dg/2006regulation.pdf
[14] Rule 21 Model Rule Draft to Implement D.05-08-013.
www.energy.ca.gov/distgen/interconnection/RULE_21_MODEL_RULE_02-2006.PDF
[15] Australian Government. Department of the Environment and Heritage, Australian
Greenhouse Office. Technical Guidelines Generator Efficiency Standards December 2006.
www.environment.gov.au/settlements/ges/publications/pubs/technical.pdf
[16] www.saiglobal.com
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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3. Tecnologie elettriche innovative a combustibile per la
cogenerazione sotto i 10 MVA
3.1 Motori alternativi a combustione interna
L’impiego di motori alternativi a combustione interna (MCI) per applicazioni stazionarie
di produzione di energia elettrica e termica riguarda una fascia di potenze molto ampia
che va dai motori più piccoli, di 1÷5 kW di potenza elettrica, fino a taglie dell’ordine di
poche decine di MW. In particolare, i motori più grandi rappresentano una tecnologia
molto matura e ben consolidata nel campo della generazione stazionaria, date le elevate
efficienze elettriche che possono arrivare facilmente ad oltre il 45 %.
Nel campo delle piccole taglie invece solo ultimamente sono state introdotte in commercio
alcune macchine che, dal punto di vista dell’architettura del motore, non contengono
elementi particolarmente innovativi; tuttavia tali piccoli motori, pur presentando
prestazioni elettriche limitate (rendimenti dell’ordine del 25%), possono diventare
economicamente competitivi in applicazioni cogenerative se integrate in modo innovativo
con un recupero termico.
L’utilizzo dei MCI nella cogenerazione risale alla seconda metà del XX secolo, inizialmente
in campo industriale e, di recente, grazie alla disponibilità sul mercato di macchine di
piccola potenza, anche in campo civile.
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
Dal punto di vista architettonico i MCI sono caratterizzati da un manovellismo di spinta
costituito dall’insieme di pistone, biella e manovella (come schematizzato in figura 3.1.1); il
pistone è alloggiato nel cilindro entro il quale, tra la testa del pistone e la testata del
motore, si realizza la combustione di tipo non stazionario. L’alimentazione dell’aria per la
combustione avviene attraverso un condotto di aspirazione, mentre l’evacuazione dal
cilindro dei gas esausti si ha attraverso il condotto di scarico. Il combustibile può essere
immesso direttamente in camera di combustione o già nel condotto di aspirazione, a
seconda della tipologia di motore. La combustione genera una spinta meccanica sulla testa
del pistone e lo mette in movimento lungo l’asse del cilindro; il pistone per effetto di
combustioni intermittenti, si muove di moto alternativo e trasmette energia meccanica
all’albero motore attraverso il manovellismo di spinta. Nelle applicazioni stazionarie
l’energia meccanica, sotto forma di moto di rotazione dell’albero motore, può essere
trasferita ad un alternatore, connesso all’albero stesso. L’alternatore presiede alla
conversione dell’energia meccanica in energia elettrica a corrente alternata.
L’architettura prevede una struttura con numero di cilindri crescenti all’aumentare della
potenza: nell’impiego stazionario sono frequenti motori a 12, 16, 20 cilindri.
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Figura 3.1.1
Dal punto di vista funzionale, i MCI possono poi essere suddivisi in motori a due tempi
(2T) e motori a quattro tempi (4T), a seconda del numero di corse effettuate dal pistone ad
ogni ciclo. Se si escludono alcune rare applicazioni di motori Diesel 2T di grande potenza,
i MCI utilizzati nella cogenerazione sono per lo più tutti a 4T.
I MCI possono essere inoltre classificati, sulla base del ciclo termodinamico che li
contraddistingue, in motori a ciclo Otto (o ad accensione comandata, in quanto necessitano
di un sistema che inneschi la combustione ad ogni ciclo) e in motori a ciclo Diesel (o ad
accensione spontanea, in quanto la combustione si innesca spontaneamente ad ogni ciclo
quando il combustibile viene iniettato in seno al comburente che si trova in condizioni di
temperatura e pressione tali da permettere l’autoaccensione del combustibile iniettato).
A seconda del tipo di ciclo realizzato il motore presenta caratteristiche progettuali e
componenti ausiliari differenti e soprattutto diversi sistemi di alimentazione della miscela
di aria e combustibile.
Nell’ambito stazionario, per le taglie sopra i 200 kW, è frequentemente adottata la tecnica
della sovralimentazione con turbocompressore (figura 3.1.2) per incrementare il
rendimento: in tal caso i fumi di scarico del motore vengono convogliati in una turbina che
trascina un compressore, recuperando parte del contenuto entalpico ancora contenuto nei
gas di scarico. Il compressore, posizionato sul condotto di aspirazione del motore,
comprime l’aria all’ingresso del motore elevandone la densità: in tal modo aumenta la
massa d’aria introdotta nel motore per ciclo e dunque la potenza utile. In genere tra il
compressore e il motore viene inserito uno scambiatore intercooler (IC): l’interrefrigerazione, a singolo o doppio stadio, ha lo scopo di incrementare ulteriormente la
densità dell’aria.
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Figura 3.1.2
Principali costruttori e modelli sul mercato
Il rendimento elettrico dei MCI varia da valori dell’ordine del 25 % per taglie inferiori ai 50
kWe (dove l’impiego è giustificabile solo in assetto cogenerativo, ovvero in presenza di
recupero termico) fino a valori intorno al 40÷42 % per taglie intorno ai 1000 kWe. Nella
fascia 1÷10 MW il rendimento può essere oltre il 45%. In ambito stazionario i rendimenti
dei Diesel sono per lo più dello stesso ordine di grandezza dei rendimenti di MCI a ciclo
Otto di pari taglia. La figura 3.1.3 mostra l’effetto della taglia sul rendimento per numerose
macchine esistenti in commercio per applicazioni cogenerative.
Rendimento elettrico
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
1
10
100
1000
10000
Potenza elettrica [kW]
Figura 3.1.3
________________________________________________________________________________
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Le prestazioni elettriche dipendono inoltre dal carico erogato come mostra la figura 3.1.4
che fa riferimento ad alcune specifiche macchine in commercio: in particolare il
rendimento cala al diminuire della potenza prodotta; al 50% del carico il rendimento può
essere inferiore di 2÷4 punti percentuali al valore nominale. Il funzionamento ai carichi
parziali è in genere possibile fino a potenze pari al 20÷30% del carico nominale.
L’influenza della temperatura ambiente sulle prestazioni elettriche di un tipico motore è
indicata invece in figura 3.1.5: l’aumento di temperatura causa una riduzione di densità
dell’aria aspirata, della potenza prodotta e anche del rendimento.
rendimento elettrico %
50
45
Jenbacher JMS 520
Jenbacher 320 C02
40
Cat G3508 LE
Stonepower 2 230
35
Tema 20 Tema 50
30
25
Senertech Dachs
20
1
10
100
1000
10000
Potenza elettrica [kW]
Figura 3.1.4
110
(%)
105
η el / η el (nominale)
100
95
90
potenza/potenza nominale
85
80
0
5
10
15
20
25
30
35
Temperatura ambiente [°C]
Figura 3.1.5
________________________________________________________________________________
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Tra i principali produttori di motori industriali d’interesse per applicazioni cogenerative
troviamo nella fascia di potenze tra 100 kW e 10 MW:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
AB-energy
Caterpillar
Deutz Power System
Ecogen
Guascor
Isotta Fraschini Motori
Jenbacher
MAN
MTU
Rolls-Royce
Wartsila
Waukesha
Nella fascia di potenze inferiori (< 100kW), oltre al già citato Ecogen, vi sono i seguenti
produttori:
• Aisin (Toyota)
• CPL-Concordia
• EMD
• Energia Nova
• Honda
• MAN
• Sentertech
• Energifera
In particolare Honda, Aisin e Senertech hanno recentemente immesso sul mercato
macchine molto piccole, nel range 1÷10 kW, destinate espressamente al settore della
cogenerazione civile.
Tabella 3.1.1 – dati di targa di alcuni MCI nella fascia di potenza 1÷100 kWe
Marca
Modello
Honda
AISIN SEIKI
Senertec (DACHS)
Senertec (DACHS)
Senertec (DACHS)
Senertec (DACHS)
Senertec (DACHS)
AISIN SEIKI
Energifera
EMD
ENERGIA NOVA Srl
EMD
Ecogen
Ecogen
CPL-CONCORDIA
Ecowill
GECC46A2
HKA G 5.0
HKA HR 5.3
HKA HR 5.3
HKA F 5.5
HKA G 5.5
GECC60A2
TEMA 20-20
EMD 20
TANDEM T.20
EMD 20 G
EG30A
EG30
BIBLOC BB35 AB
Fuel *
Pel
kW
Pth
kW
ηel
ηth
TH2O in
°C
TH2O out
°C
GN
GN,GPL
GN
OV
G
GPL
GN
GN,GPL
GN
G.OV
GN,GPL,G
GN
GN,GPL,G
GN,GPL,G
BG
1
4.6
5
5.3
5.3
5.5
5.5
6
15
20
20
20
30
30
35
3.25
11.7
12.3
10.3
10.5
12.5
12.5
11.7
29
25-30
46.35
40-50
64
64
75
0.200
0.255
0.260
0.300
0.300
0.270
0.270
0.288
0.323
0.323
0.293
0.329
0.278
0.288
0.280
0.650
0.585
0.630
0.590
0.590
0.610
0.610
0.562
0.624
0.404
0.679
0.659
0.593
0.615
0.624
60
70
70
70
70
70
60
72
70
75
65
83
83
83
83
83
65
82
90
85
70
70
70
70
90
90
90
85
NOx
mg/N
m3
120
CO
mg/Nm
135
2400
2150
224
349
66
100
24
170
290
22
22
901
100
31
14
250
250
300
300
3
________________________________________________________________________________
57
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
CPL-CONCORDIA
CPL-CONCORDIA
CPL-CONCORDIA
EMD
CPL-CONCORDIA
Energifera
MAN
CPL-CONCORDIA
Ecogen
MAN
Ecogen
EMD
BIBLOC BB35 SB
BIBLOC BB35 AM
BIBLOC BB35 SM
EMD 45
BIBLOC BB50
TEMA 50-70
E0834 E302
BIBLOC BB60
EG60
E0836 E302
EG90
EMD 100
BG
GN
GN
GN,OV,G
GN, BG
GN
GN
GN, BG
GN,GPL,G
GN
GN,GPL,G
GN,OV,G
35
35
35
45
50
50
54
60
60
75
90
90
78
0.282
0.629
70
85
75
0.269
0.577
70
85
78
0.282
0.629
70
85
70-85
0.325
0.506
70
90
107
0.287
0.615
70
85
97
0.321
0.622
70
90
100
79
5000
120
0.300
0.600
70
90
120
0.300
0.600
70
90
250
109
7000
170
0.310
0.586
70
90
250
1320.319
0.468
72
90
140
Energifera
TEMA 100-100
GN
100
194
0.321
0.622
100
TECOGEN
CM 100
GN
100
214
0.294
0.629
31
•
GN: gas naturale; G: gasolio; GPL: gas di petrolio liquido; BG: biogas, OV: olio vegetale; Liq: combustibili liquidi
100
300
300
100
214
Tabella 3.1.2 – dati di targa di alcuni MCI nella fascia di potenza 100÷1000 kWe
Fuel
Pel
kW
103
Pth
kW
132
ηel
ηth
0.378
0.485
119
125
125
125
198
178
197
210
0.345
0.345
0.348
0.332
0.574
0.492
0.549
0.559
131
135
208
200220
207
0.347
0.319
0.550
0.472
0.351
0.519
70
256
279
250290
241
274
275
0.344
0.350
0.319
0.534
0.537
0.420
0.385
0.372
0.364
352
369
372
340360
340
373
403
397
380400
485
394
525
430
529
426
493
541
500
500
764
631
677
820
539
665
664
Marca
Modello
StonePower
MAN
MDE (Tognum)
AB Energy
AB Energy
Ecogen
MAN
StonePower
EMD
2 100 Bio
E0836 LE202
ME 3066 D
ECOMAX1 BIO
ECOMAX 1
EG125
E2876 TE302
2 130
EMD 150
BG
GN,BG
GN
BG
GN
GN,BG,GPL,G
BG
GN
GN,OV,G
Ecogen
MAN
MDE (Tognum)
MDE (Tognum)
EMD
EG140
E2876 E312
ME 3066 LH
ME 3066 L
EMD 200
GNBG,GPL,G 140
GN
GN
165
GN
182
GN,OV,G
190
MDE (Tognum)
Ecogen
MDE (Tognum)
MAN
MDE (Tognum)
MDE (Tognum)
StonePower
EMD
MB 3066 L
EG200
ME 3066 L
E2876 LE302
ME 3042 DH
ME 3042 D
2 230
EMD 250 G
BG
GN,BG,GPL,G
GN
GN,BG
GN
GN
GN
GN
227
232
236
238
AB Energy
AB Energy
Isotta Fraschini
AB Energy
Jenbacher
EMD
ECOMAX2 BIO
ECOMAX2
L1306T3
ECOMAX3
208 C02
EMD 300
BG
GN
Liq
GN
GN
G,OV
245
245
250
294
294
300
MDE (Tognum)
AB Energy
MDE (Tognum)
Ecogen
MDE (Tognum)
MDE (Tognum)
Caterpillar
MDE (Tognum)
EMD
EMD
Caterpillar
Caterpillar
Caterpillar
Isotta Fraschini
Ecogen
AB Energy
AB Energy
Jenbacher
ME 3042 LH
ECOMAX3 BIO
ME 3042 L
EG350
ME 3042 L
MB 3042 L
G3412 LE
ME 3042 Z
EMD 400
EMD 450
G3508 LE
G3508 LE
G3508 LE
V1312T3B
EG500
ECOMAX5 BIO
ECOMAX 5
312 C202
GN
BG
GN
GN,BG,GPL,G
GN
BG
GN
GN
GN,OV
G, OV
BG
GN
GN
Liq
GN,BG,GPL,G
BG
GN
GN
323
330
337
347
357
370
370
386
400
450
460
480
480
518
525
526
526
526
192
200
201
TH2O in
°C
TH2O out
°C
NOx
mg/Nm3
500
CO
mg/Nm3
650
70
90
250
300
70
90
250
300
500
650
90
250
300
80
70
100
90
500
500
300
300
0.483
0.509
0.498
70
70
80
90
90
100
500
250
500
1000
300
300
0.355
0.354
0.354
0.315
0.551
0.563
0.558
0.450
80
70
100
90
500
250
250
300
300
325
0.361
0.365
0.501
0.555
0.376
0.376
0.404
0.515
0.508
0.512
70
90
250
300
0.356
0.387
0.350
0.371
0.362
0.387
0.352
0.364
0.414
0.445
0.316
0.369
0.333
0.535
0.462
0.545
0.460
0.536
0.446
0.469
0.510
0.520
0.495
0.524
0.485
0.469
80
100
500
300
70
70
70
70
90
90
90
90
70
90
250
250
500
500
450
500
300
300
300
1000
300
300
450
450
450
500
300
300
0.352
0.404
0.386
0.386
0.550
0.414
0.488
0.487
70/55
90/57
250
300
70
90
250
300
________________________________________________________________________________
58
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Deutz Power Systems
Deutz Power Systems
AB Energy
Jenbacher
Ecogen
AB Energy
Caterpillar
Caterpillar
Deutz Power Systems
Caterpillar
Caterpillar
Caterpillar
Isotta Fraschini
MTU
Deutz Power Systems
AB Energy
Jenbacher
Ecogen
AB Energy
AB Energy
Isotta Fraschini
Ecogen
Caterpillar
Caterpillar
Waukesha
TCG 2016 V12
TCG 2016 V12
ECOMAX6
312 C02
EG600
ECOMAX6 BIO
G3512 LE
G3512 LE
TCG 2016 V16
G3512 LE
G3512 LE
G3512 LE
V1708T3
ME 8V 4000
TCG 2016 V16
ECOMAX8
316 C02
EG800
ECOMAX8 BIO
ECOMAX9
V1712T0
EG950
G3516 LE
G3516 LE
APG 1000
BG
GN
GN
GN
GN,BG,GPL,G
BG
GN
GN
BG
BG
GN
GN
Liq
GN
GN
GN
GN
GN,BG,GPL,G
BG
GN
Liq
GN,BG,GPL,G
GN
GN
GN
555
600
601
601
607
625
725
725
740
770
770
770
770
772
800
801
802
808
835
842
870
930
975
975
1000
531
556
735
733
853
660
919
956
705
1296
901
932
0.400
0.408
0.389
0.389
0.375
0.400
0.363
0.355
0.403
0.316
0.372
0.364
0.396
0.391
0.476
0.475
0.528
0.422
0.460
0.469
0.397
0.532
0.435
0.441
834
753
980
975
1149
884
925
0.413
0.411
0.389
0.390
0.374
0.400
0.411
1324
1229
1243
1278
0.373
0.366
0.362
0.416
84
84
90
90
500
500
300
300
70
70/55
90
90/57
250
250
300
300
450
450
500
450
450
450
300
300
300
500
300
300
84
90
0.446
0.400
0.476
0.474
0.532
0.423
0.451
70
84
90
90
250
500
1000
300
70
70/55
90
90/57
250
250
300
300
0.531
0.461
0.462
0.532
70/55
90/57
250
450
450
500
300
300
300
610
TH2O out
°C
NOx
mg/Nm3
Tabella 3.1.3 - dati di targa di alcuni MCI nella fascia di potenza 1000÷10000 kWe
Marca
Modello
Caterpillar
Caterpillar
Caterpillar
Waukesha
Deutz Power Systems
AB Energy
G3516 LE
G3516 LE
G3516 LE
16V150LTD
TCG 2020 V12
ECOMAX10
BIO
ECOMAX10
320 C02
G3516 LE
G3516B LE
ECOMAX11
EG1150
16V150LTD
TCG 2020 V12
G3516B LE
ME 12V 4000
TCG 2020 V12
HGM 560
ECOMAX13
BIO
G3520B LE
TCG 2020 V16
ECOMAX14
BIO
ECOMAX14
EG1400
420 A02
C25:33L6
G3520B LE
V1712T3B
G3524 LE
TCG 2020 V16
V1712T3C
G3524 LE
ME 16V 4000
G3516C LE
TCG 2020 V16
V1716
AB Energy
Jenbacher
Caterpillar
Caterpillar
AB Energy
Ecogen
Waukesha
Deutz Power Systems
Caterpillar
MTU
Deutz Power Systems
Guascor
AB Energy
Caterpillar
Deutz Power Systems
AB Energy
AB Energy
Ecogen
Jenbacher
Rolls-Royce
Caterpillar
Isotta Fraschini
Caterpillar
Deutz Power Systems
Isotta Fraschini
Caterpillar
MTU
Caterpillar
Deutz Power Systems
Isotta Fraschini
ηth
Pel
kW
Pth
kW
ηel
BG
GN
GN
Gas
Gas
BG
1030
1030
1030
1036
1050
1064
1378
1201
1247
1296
1070
1043
0.318
0.373
0.367
0.435
0.410
0.408
0.425
0.435
0.445
0.545
0.430
0.400
BG
GN
GN
BG
GN
GN
GN,BG,GPL,G
1064
1064
1100
1105
1130
1131
1140
1239
1247
1371
1492
1233
1315
1459
0.398
0.398
0.367
0.370
0.413
0.414
0.424
0.464
0.467
0.457
0.499
0.451
0.481
0.543
Gas
Gas
GN
GN
GN
GN
1155
1165
1166
1200
1200
1244
1278
1428
1260
1158
1235
1238
0.403
0.381
0.413
0.430
0.412
0.416
0.458
0.467
0.446
0.426
0.424
0.414
GN
BG
GN
1355
1400
1415
1793
1431
1368
0.364
0.410
0.421
0.481
0.430
0.407
BG
BG
GN
GN,BG,GPL,G
GN
Liq
Liq
GN
Liq
GN
GN
GN
GN
Liq
1415
1415
1416
1425
1460
1470
1475
1540
1540
1555
1562
1585
1600
1680
1541
1643
1599
0.451
0.481
0.464
1731
0.414
0.414
0.411
0.431
0.376
1912
1704
0.362
0.403
0.469
0.458
1864
1677
1804
1584
0.368
0.415
0.391
0.425
0.441
0.446
0.445
0.432
Fuel
TH2O in
°C
CO
mg/Nm
3
450
450
450
240-500
500
500
300
300
610
300
81
92
70
90
250
450
450
300
500
300
70/40
90/45
250
200-400
80
92
70
80
55
90
92
90
500
450
250
500
250
300
610550
300
300
1000
300
81
92
450
500
300
300
70/40
70
90/45
90
90
250
250
300
300
450
300
450
500
300
300
450
250
450
500
300
1000
300
300
0.445
80
92
70
90
80
92
________________________________________________________________________________
59
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Rolls-Royce
Deutz Power Systems
Jenbacher
AB Energy
AB Energy
Ecogen
Rolls-Royce
Caterpillar
Caterpillar
Caterpillar
Caterpillar
Deutz Power Systems
Caterpillar
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Jenbacher
AB Energy
AB Energy
Ecogen
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Jenbacher
AB Energy
AB Energy
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Wartsila
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Wartsila
C25:33L6
TCG 2020 V20
612 E12
ECOMAX18
ECOMAX18HE
EG1800
C25:33L8
G3532 LE
G3520C LE
G3520C LE
G3520C LE
TCG 2020 V20
G3532 LE
C25:33L9
KVGB-12G4
C25:33L8
KVGS-12G4.2
616 E12
ECOMAX24
ECOMAX24HE
EG2400
C25:33L9
B32:40L6
KVGB-16G4
620 E12
ECOMAX30
ECOMAX30HE
KVGS-16G4.2
KVGB-18G4
KVGS-18G4.2
B32:40L8
34SG 9L34SG
B32:40L9
B35:40 V12AG
B35:40 V12AG
B32:40V12
32DF 18V32DF
GN
GN
Liq
BG
GN
GN
GN
GN,BG,GPL,G
Liq
GN
BG
GN
GN
GN
GN
Liq
GN
Liq
GN
GN
GN
GN
GN,BG,GPL,G
Liq
O.V.
Liq
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
Liq
Gas
Liq
GN
1710
1750
1820
1824
1824
1824
1900
1975
2000
2000
2000
2070
2080
2160
2165
2305
2425
2430
2433
2433
2433
2590
2880
2899
3041
3048
3048
3235
3260
3640
3840
3888
4320
4890
5120
5760
6080
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Wartsila
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Rolls-Royce
Wartsila
B35:40 V16AG
B35:40 V16AG
34SG 16V34SG
B32:40V16
B35:40 V20AG
B35:40 V20AG
34SG 20V34SG
GN
Liq
Liq
GN
GN
GN
Gas
6520
6840
6970
7680
8150
8550
8730
1775
1917
1917
1756
1996
2486
2456
2241
2134
2023
2494
2594
2600
2335
2702
3174
3167
2919
0.422
0.410
0.421
0.422
0.439
0.422
0.431
0.367
0.376
0.396
0.398
0.428
0.371
0.430
0.453
0.422
0.459
0.420
0.420
0.440
0.420
0.422
0.435
0.457
0.425
0.426
0.441
0.459
0.458
0.462
0.435
0.461
0.435
0.465
0.463
0.435
0.4390.446
0.466
0.463
0.464
0.435
0.466
0.463
0.465
0.427
0.444
0.444
0.423
0.462
0.462
0.462
0.444
0.425
0.430
0.445
0.448
0.449
0.422
0.467
0.444
0.443
0.422
81
70
70/40
90
92
90
500
250
300
300
250
300
450
450
450
450
500
450
300
500
300
300
300
300
500
250
900
300
250
300
250
300
500
900
500
900
90
90
90
90
500
500
650
650
90
90
500
500
650
650
90
90
90
500
500
650
650
90/45
90
80
92
70
90
90
90
90
90
70/40
70
90/45
90
90
90
90
90
90
90
90
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
I fumi allo scarico di un MCI si trovano a temperature dell’ordine di 350÷450°C e
contengono quindi elevate quantità di calore che possono essere recuperate.
Inoltre, il recupero termico è possibile anche dall’acqua di raffreddamento del motore che
utilizzata anche in pressione, asporta calore dalle camicie dei cilindri e si trova
generalmente a temperature intorno ai 90 ÷ 100 °C; è possibile realizzare un terzo recupero
termico sfruttando il calore asportato dall’olio di lubrificazione del motore (che può ad
esempio venire raffreddato da un radiatore da 90 °C a 70 °C). Infine il calore può essere
recuperato dall’intercooler (a temperature di 40 ÷ 50 °C) e dal raffreddamento del
generatore elettrico. I coefficienti di utilizzo del combustibile che si riescono ad ottenere in
condizioni di recupero totale del calore sono superiori all’80 %.
In termini quantitativi il calore recuperabile ad alta temperatura (dai fumi) è generalmente
pari al 40 ÷ 50% del calore complessivamente recuperabile; in realtà la quota parte di
calore recuperato effettivamente dai fumi dipende dalla particolare applicazione e può
risultare inferiore a quello teoricamente recuperabile se il livello termico dell’utenza non è
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ottimale. La figura 3.1.6 mostra per un tipico motore la ripartizione del calore scaricato
all’esterno tra calore recuperato dai fumi, dall’acqua di raffreddamento, dall’olio e
dall’inter-cooler e il calore non recuperato.
Calore dal MCI
9.8%
10.4%
40%
12.2%
Fumi
Acqua
Olio
IC
non utilizz.
Perdite
17.2%
10.4%
Figura 3.1.6
Il calore scaricato dal motore all’esterno può essere utilizzato per produrre acqua calda e/o
vapore per usi tecnologici industriali o per impieghi civili. Uno schema di un circuito di
recupero termico è rappresentato in figura 3.1.7 che mostra la successione degli
scambiatori di recupero per la produzione di acqua calda. La disposizione degli
scambiatori può variare a seconda della particolare applicazione.
Figura 3.1.7
Date le temperature elevate dei fumi sopra indicate, è possibile sfruttare i gas di scarico
del motore anche per generare vapore saturo o surriscaldato. La produzione di vapore
ottenibile con il recupero per unità di portata dei fumi del motore termico dipende dalla
qualità del vapore richiesto (cioè dalle condizioni di temperatura e pressione) e dalla
temperatura a cui si raffreddano i fumi: in genere il raffreddamento dei fumi avviene fino
a 120°C, ma per alcune applicazioni civili ed impiegando il gas naturale come
combustibile (esente da problemi di rugiada acida) si può scendere fino a 70°C. In altre
applicazioni industriali il calore scaricato dai fumi può essere utilizzato per riscaldare olio
diatermico a temperature elevate fino, ed oltre, i 200 ÷ 250°C.
La figura 3.1.8 mostra i valori del rendimento termico di un MCI che scarica fumi a 400°C
e con temperatura del fluido da riscaldare di ritorno dall’utenza (all’ingresso della linea di
scambiatori di recupero) variabile. Si osserva che all’aumentare della temperatura di
ingresso del fluido freddo la quantità di calore recuperabile decresce; in particolare, se la
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temperatura del fluido supera i 90°C circa, il recupero termico diminuisce decisamente,
poiché è possibile sfruttare solo il calore scaricato con i fumi. In figura sono anche indicati i
valori di IRE e limite termico, calcolati in base alla normativa italiana sulla cogenerazione
ed i limiti individuati dalla delibera AEEG 42/02 e successive modifiche per poter
classificare l’impianto come cogenerativo. Si osserva che, nel caso in cui si recuperi solo il
calore scaricato con i fumi, per temperature in ingresso del fluido superiori ai 200°C, il
valore del LT è inferiore al limite stabilito dalla normativa.
La figura 3.1.9 riporta i valori di rendimento elettrico e termico di diversi motori in
commercio ed i limiti individuati dalla 42/02 e successive modifiche. (la curva limite
dell’IRE è stata ottenuta sotto le seguenti ipotesi: applicazione dell’energia termica in
ambito civile, connessione in media tensione, alimentazione a gas naturale).
0,6
Rendimento termico , LT , IRE
LT
0,5
IRE
0,4
LT
0,3
limite
Rendimento termico
0,2
IRE limite
0,1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Tin fluido
Figura 3.1.8
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1
Rendimento termico
P e l < 100 kW
100 kW <P < 1 MW
0.8
el
1 MW <Pe l < 10 MW
0.6
IRE = 0.10
0.4
P < 1MW
el
1MW < P < 10MW
el
LT = 0.33
IRE < 0.10
0.2
LT < 0.33
0
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Rendimento elettrico
Figura 3.1.9
0.8
0.50
IRE
Limite termico
La figura 3.1.10 fornisce i valori di IRE e limite termico dei motori considerati in figura
3.1.9. Si osserva che al ridursi della taglia di potenza elettrica, a seguito dei minori
rendimenti elettrici, il limite termico cresce, passando da valori in media di circa 0.5 a
valori pari a 0.7 ÷ 0.8 (il valore dell’IRE è stato calcolato ipotizzando un’alimentazione a
gas naturale, applicazione dell’energia termica in ambito civile ed una connessione in MT).
0.45
0.7
0.40
0.6
0.35
0.30
0.5
0.25
0.4
0.20
0.15
0.3
1
10
100
1000
1
Potenza elettrica [kW]
10
100
1000
Potenza elettrica [kW]
Figura 3.1.10
Se l’utenza termica richiede calore solo ad alta temperatura (cioè realizzabile solo con il
recupero dai fumi di scarico), le prestazioni cogenerative calano sensibilmente:
ipotizzando, ad esempio, che il calore scaricato dai fumi sia pari al 50% del calore totale
scaricato (fumi più raffreddamento olio-acqua), per gli stessi motori presentati in figura
3.1.9 si ottiene la nuova mappa di figura 3.1.11, dalla quale si evince che per diversi motori
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non è più assicurato il rispetto delle normative vigenti: diversi motori di piccola taglia non
raggiungono il valore minimo di IRE, mentre alcuni motori delle taglie maggiori non
soddisfano il vincolo sul limite termico.
1
P < 100 kW
Rendimento termico
el
100 kW < P < 1 MW
0.8
el
1 MW < P < 10 MW
el
0.6
IRE = 0.10
1MW < P < 10MW
el
0.4
P < 1MW
el
0.2
LT = 0.33
IRE < 0.10
LT < 0.33
0
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Rendimento elettrico
Figura 3.1.11
Combustibili impiegabili
I motori alternativi presentano un’ elevata flessibilità di impiego per quanto riguarda i
combustibili utilizzabili.
I MCI ad accensione comandata, che nel campo della propulsione funzionano
prevalentemente a benzina e molto meno diffusamente a GPL e metano, nell’impiego
stazionario sono generalmente alimentati a gas naturale, anche se cominciano a diffondersi
MCI ad accensione comandata alimentati a biogas e gas di discarica. Il GPL può essere
usato in installazioni stazionarie di piccola taglia; in un motore nato per l’alimentazione a
benzina, il GPL causa una riduzione di potenza di circa il 10%, mentre il gas naturale del
15%.
In realtà, nell’impiego stazionario e per le taglie a partire da 50 kW, il progetto del motore
viene quasi sempre ottimizzato in funzione dell’alimentazione a gas. In tal caso, i motori a
gas a ciclo Otto funzionano tipicamente in regime lean-burn, con forti eccessi d’aria, e con
precamera per la stabilizzazione dell’accensione. Se si impiega il biogas, il funzionamento
è analogo ma è richiesta una modifica del sistema di iniezione per consentire l’ingresso di
portate di combustibile maggiore; il biogas infatti, essendo principalmente composto di
metano ed anidride carbonica, ha poteri calorifici (tipicamente dell’ordine di 9000-17000
kJ/kg) inferiori al gas naturale. Inoltre, una problematica frequente riguarda il controllo
del rapporto di miscela, che per data installazione può subire variazioni sensibili nel corso
del tempo: a causa dell’irregolarità di composizione delle biomasse di partenza il
contenuto di metano nel biogas subisce fluttuazioni notevoli (presentando valori medi
attorno al 30-40%). Per questo motivo si adottano sistemi di controllo in retroazione del
rapporto di miscela, mediante sonda λ nei fumi che regola la preparazione della miscela.
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Infine esiste la possibilità, per la verità non molto significativa nel campo stazionario, di
utilizzo di biocarburanti quali l’etanolo derivante da processi di trasformazione di
biomasse vegetali a contenuto zuccherino (canna, barbabietola, ecc.). In quest’ultimo caso
il funzionamento avviene in genere sempre in miscela con le benzine (almeno al 10%) in
modo da consentire l’avviamento a freddo. I motori funzionanti a bioetanolo-benzina non
richiedono modifiche se la miscela presenta meno del 10% di etanolo, mentre è richiesta la
ri-mappatura della centralina di controllo del motore se il contenuto di biocarburante è
maggiore. La presenza di etanolo nel motore può causare erosione degli elastomeri.
I MCI industriali ad accensione spontanea per impiego stazionario possono essere
alimentati a gasolio, ad olio combustibile oppure, molto frequentemente, a gas naturale,
con l’aggiunta di una piccola percentuale di gasolio: 1-10 % per l’ iniezione pilota, che ha
la funzione di provocare l’autoaccensione della carica (si parla di motori dual-fuel).
L’impiego del gas invece di un combustibile liquido fa riscontrare un aumento della
potenza poiché è possibile un funzionamento con minore eccesso d’aria senza incorrere in
incombusti allo scarico.
Nel campo dei combustibili rinnovabili (bio-combustibili) è presente una molteplicità di
applicazioni: bio-diesel, oli vegetali, oli derivanti da processi industriali di lavorazione di
sostanze organiche, oli da grassi animali, oli esausti da cottura cibi, ecc.
Il bio-diesel è un combustibile liquido con proprietà molto simili a quelle del gasolio; è un
derivato di biomasse oleoginose da cui viene estratto un olio (olio vegetale grezzo) che
viene successivamente trasformato in bio-diesel, mediante un processo di transesterificazione e raffinazione. Il biodiesel può essere utilizzato puro al 100% (nei motori di
nuova concezione, dove ha una funzione di pulizia iniettori, non richiede interventi; nei
motori di vecchia concezione dove si può avere usura di elastomeri dovuta al maggior
potere solvente del combustibile si può usare il biodiesel previa modifica di alcune parti) o
in miscela con gasolio convenzionale al 30÷40% senza alcun intervento sul motore.
L’impiego di biodiesel, che ha minor potere calorifico del gasolio, porta ad un maggior
consumo in termini di volume, ma le penalizzazioni di potenza sono contenute in pochi
punti percentuali. Va riscontrato che, rispetto al gasolio, il biodiesel elimina
completamente i problemi delle emissioni di ossidi di zolfo.
Tra i combustibili rinnovabili per i motori ad accensione spontanea l’uso dell’olio vegetale
(olio di palma, di colza, di girasole, di soia) tal quale, cioè senza la conversione in biodiesel, è diventato un’opzione teoricamente percorribile, ma economicamente valutabile
solo in presenza di incentivi. Dal punto di vista operativo non è ancora ben chiaro se
l’impiego di tali combustibili danneggi i motori Diesel o sia realisticamente attuabile su
lunghi periodi di funzionamento; certamente l’olio può essere impiegato purché sia
adeguatamente trattato con additivi e preriscaldato: rispetto al gasolio la viscosità a 20°C è
un ordine di grandezza superiore (la viscosità influisce sulla capacità di nebulizzare il
combustibile dentro il motore) e il punto di accensione è molto più alto (300°C conto i 50°C
del gasolio). Inoltre processi di polimerizzazione spontanea che agiscono sull’olio ad alta
temperatura e in presenza di ossigeno danno luogo a depositi e incrostazioni sugli
iniettori, in camera di combustione e sulle valvole.
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Dal punto di vista delle emissioni, i MCI, pur riuscendo con apposite tecniche di posttrattamento a rientrare entro i limiti imposti dalle diverse normative, presentano valori di
NOx e CO significativi e superiori a quelli derivanti dall’uso delle turbine e microturbine a
gas. In particolare, anche impiegando il gas naturale, che rispetto ai combustibili liquidi
non presenta praticamente il problema del particolato, i valori di concentrazione allo
scarico di NOx e CO sono maggiori rispetto ad esempio alle emissioni delle microturbine,
che funzionano in condizioni di maggior eccesso d’aria e con temperature interne più
ridotte.
L’impiego in un motore del biogas da fermentazioni anaerobiche di biomasse necessita di
un sistema di rimozione di composti dannosi, tra cui principalmente l’H2S (idrogeno
solforato). Tale composto produce un aumento di emissioni di SOx allo scarico e
promuove la formazione di acido solforico H2SO4 che causa problemi di corrosione nei
condotti del motore. La pulizia del gas può avvenire con appositi filtri.
Modalità di connessione e di esercizio
Il motore alternativo per impiego industriale può essere connesso in BT o MT alla rete
elettrica. Il funzionamento può avvenire in modalità “grid connected” o anche “in isola”,
per alimentazione di utenze isolate.
Nel funzionamento “in isola” si rendono necessari dispositivi elettronici di potenza
(booster) che forniscano in uscita i valori di tensione e frequenza richiesti dall’utenza; in
modalità “grid connected” invece i dispositivi elettronici sono necessari per
l’adeguamento ai parametri richiesti dalla rete, sono inoltre da prevedere relè di
protezione in caso di improvviso distacco del dispositivo della rete.
Il motore presenta una elevata flessibilità di esercizio con possibilità di funzionamento ai
carichi parziali fino al 20-30% del carico nominale e con decadimenti di prestazioni non
eccessivi, come ricordato sopra. Per questo motivo tale sistema energetico può essere
utilizzato per l’esercizio in modalità “load-following”, ovvero con inseguimento dei
carichi elettrici delle utenze. Soprattutto nella fascia di taglie più piccole, può anche essere
usato come generatore per i carichi di punta (peak-shaving) o come generatore di
emergenza (gruppo elettrogeno); nell’ambito cogenerativo tale ultima modalità è poco
impiegata, data la necessità di produrre anche energia termica.
La flessibilità operativa consente di avere molteplici modalità di esercizio: il motore in
assetto cogenerativo può essere usato sia con funzionamento a pieno carico che in
modalità load-following “elettrico segue” (in quest’ultimo caso la disponibilità di energia
termica sarà dipendente dal carico elettrico). Infine, si può avere un funzionamento in
modalità termico segue, cioè con correzione del punto di funzionamento in modo da
garantire la copertura della richiesta termica; in questo caso l’energia elettrica generata
può essere utilizzata dalle utenze elettriche, ceduta in toto o in parte alla rete esterna,
accumulata in batterie se disponibili (nel caso di installazioni in isola e con taglie limitate,
si rende necessario installare un convertitore bidirezionale AC/DC).
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Costi, affidabilità e manutenzione
Il costo d’installazione medio è dell’ordine di 700÷1000 €/kW per i motori medio grandi
(taglie da 100 kW a 10 MW) e di 1500÷2500 €/kW per le taglie nel range 5÷100 kW. Più in
generale si può ritenere che l’andamento del costo specifico sia decrescente con la taglia di
impianto, secondo l’andamento riportato in figura 3.1.12.
Costo specifico [€/kW]
6000
4000
2000
0
1
10
100
1000
Taglia [kW elettrici]
Figura 3.1.12
Tra i principali svantaggi degli MCI ci sono i costi di manutenzione che costituiscono una
delle voci principali. Il motore alternativo a combustione interna è una macchina che
richiede manutenzione ordinaria periodica principalmente per la sostituzione dell’olio, dei
filtri e delle candele per quanto riguarda i motori ad accensione comandata. I costi di
manutenzione, seppur variabili in base al costruttore e al modello, in media si aggirano
intorno ai 7÷10 €/kW, (in rapporto all’energia elettrica producibile si hanno valori
dell’ordine di 8÷25 €/MWh, dove i valori minimi si riferiscono ai motori di taglia
maggiore). I costi fissi di manutenzione rappresentano una voce di bilancio significativa se
il numero di ore di funzionamento risulta esiguo ossia per gli impianti di piccola taglia.
Inoltre la manutenzione straordinaria può richiedere la sostituzione di parti importanti:
testa motore, alternatore, componenti elettronici, sistemi di iniezione,ecc. Nel campo della
micro cogenerazione ad esempio, il motore Dachs della Senertech da circa 5 kW richiede
una manutenzione ordinaria ogni 3500 ore ed una straordinaria con sostituzioni parti ogni
30000 ore, per una vita utile di circa 80000 ore.
La disponibilità dei MCI è comunque in genere elevata, potendo raggiungere valori
intorno all’85% (ore di funzionamento tipiche pari a 7500 h/anno).
Livello di diffusione e previsioni di mercato
La diffusione degli MCI come sistema di cogenerazione è molto ampia, soprattutto nel
campo delle taglie più elevate e nel settore d’impiego industriale. Si può affermare che nel
range di taglie da 100 kW a 10 MW il MCI è il sistema cogenerativo più impiegato.
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Nell’ambito della cogenerazione con taglie inferiori ai 100 kW e per applicazioni nel
settore civile, le soluzioni basate su motori alternativi non sono così diffuse, ed inoltre
proprio in questo settore esiste la concorrenza delle microturbine che presentano efficienze
analoghe. Infine le tecnologie dei MCI nelle piccolissime taglie non sono altrettanto mature
come nel campo di potenze maggiori: le prime realizzazioni sono entrate in commercio da
pochi anni, anche se il motore più piccolo da 1 kW Ecowill Honda a livello mondiale è
stato venduto in 3000021 esemplari ed il motore Dachs Senertech in 13000 esemplari in
Europa.
Esempi di realizzazioni
Centroplast s.p.a. (Meldola-FC)
‐
tipo di impianto: 2 x MCI ad accensione comandata in assetto cogenerativo;
‐
combustibile utilizzato: gas naturale;
‐
modello motore: Guascor 360 turbocompresso;
‐
potenza elettrica installata: 1224 kWe; connessione alla rete elettrica in media
tensione;
‐
due Caldaie integrative in parallelo ad olio diatermico (1200 kW cad.);
‐
Fabbisogno energia elettrica: 5500 MWh/anno; fabbisogno termico (stimato): 1250
MWh/anno per le utenze industriali e 1500 MWh/anno per le utenze uffici;
‐
produzione termica: 1) acqua calda per riscaldamento ambienti ed acqua calda
sanitaria; 2) olio diatermico (T=200-250°C) per utenze industriali;
‐
recupero termico sui fumi da 470°C a 240°C per riscaldamento olio diatermico più
ulteriore raffreddamento fumi fino a circa 80°C per il riscaldamento acqua immessa
in rete teleriscaldamento interna all’azienda; ulteriore recupero dall’acqua di
raffreddamento motore e dal primo stadio di inter-cooler utilizzati per l’acqua di
teleriscaldamento.
‐
limitato surplus di energia elettrica (pari a meno del 10% della produzione
complessiva) immessa in rete.
Hotel Franini (Costa Volpino, BG)
Ristrutturazione centrale termica con sostituzione attuali generatori di calore con due
unità Dachs G5.5 per complessivi 11,0 kW elettrici, abbinata a due serbatoi di accumulo
inerziale da 750 l cadauno. In questo impianto sono stati installati anche due scambiatori
aggiuntivi a fascio tubiero e mantello per condensazione fumi di scarico. Generatore di
calore integrativo: due caldaie murali Unical per totali 70 kW. La regolazione è del tipo
termico segue e la produzione termica viene convogliata in inverno nellʹimpianto di
riscaldamento e produzione acs. La produzione elettrica viene prevalentemente
autoconsumata, ma dopo il 01.01.2009 sarà richiesto lo “scambio sul posto”. Caratteristiche
sezione cogenerativa- 2 x unità “Dachs G5.5” per un totale di 11,0 kWe; - motori a c.i. lean
burn con catalizzatore ossidante e recupero integrale del calore prodotto; scambiatore
21
Dato Cogena relativo al 2007
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
aggiuntivo per condensazione fumi - l’impianto lavora ca. 5.500 h/anno; - consumo a pieno
regime: 4,12 Sm3/h; - combustibile utilizzato: gas naturale; - rendimento elettrico = 27%; rendimento termico = 72%. (con acqua in ingresso a 35°C)
La Gnoccheria - ristorante (Reggio Emilia, RE)
Ristrutturazione completa impianti con sostituzione attuali generatori di calore con un
sistema Dachs SE G5.5 a condensazione, composto da:
- unità cogenerativa da 5,5 kW elettrici
- serbatorio di accumulo inerziale da 750 l
- scambiatore aggiuntivo a fascio tubiero e mantello per condensazione fumi di scarico,
- caldaia integrativa a condensazione da 20 kW
- scambiatore inox per produzione sanitaria da 70 kW
Il sistema è stato collegato allʹimpianto di riscaldamento con UTA da 40 kW interponendo
un ulteriore serbatoio di accumulo inerziale da 2.000 sulla linea di ritorno impianto,
risultando così in serie al serbatoio inerziale da 750 L.
In questo modo il prelievo dellʹenergia termica avviene nelle 7-9 h/gg di apertura
dellʹesercizio senza utilizzare la caldaia integrativa installata solo per ridondanza, mentre
il cogeneratore funziona in inverno quasi in continuo per 24 h/gg.
La regolazione è del tipo termico segue. La produzione elettrica viene prevalentemente
autoconsumata, ma dopo il 01.01.2009 sarà richiesto lo scambio sul posto.
Caratteristiche sezione cogenerativa:
- 1 x unità “Dachs G5.5” per un totale di 5,5 kWe;
- motori a c.i. lean burn con catalizzatore ossidante e recupero integrale
del calore prodotto; scambiatore aggiuntivo per condensazione fumi
- l’impianto lavorerà ca. 4.000 h/anno; (commissioning effettuato il 20.11.2008)
- consumo a pieno regime: 2,06 Sm3/h;
- combustibile utilizzato: gas naturale;
- rendimento elettrico = 27%;
- rendimento termico = 72%. (con acqua in ingresso a 35°C)
________________________________________________________________________________
69
Accordo di Programma MSE-ENEA:
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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3.2 Turbine a gas di taglia medio-piccola (1÷10 MWe)
Descrizione della macchina
La turbina a gas è un sistema che converte l’energia chimica di un combustibile in energia
meccanica operando secondo un ciclo aperto che si rifà al ciclo termodinamico di Brayton.
La turbina a gas è costituita essenzialmente da un compressore accoppiato ad una turbina
e da una camera di combustione situata tra questi due componenti, come mostrato
schematicamente in Fig. 3.2.1 L’aria viene aspirata dall’ambiente dal compressore,
compressa e successivamente inviata in camera di combustione, dove viene effettuata la
combustione in seno al combustibile. I gas di combustione ad alta temperatura e pressione
espandono in turbina, fornendo sia lavoro meccanico all’albero di potenza, sia il lavoro
meccanico necessario a trascinare il compressore. Aumentando la temperatura massima
del ciclo termodinamico, rappresentata in una turbina a gas dalla temperatura dei gas
all’uscita dalla camera di combustione e di ingresso in turbina (TIT), aumenta l’efficienza e
il lavoro specifico del ciclo termodinamico. Il limite superiore a tale temperatura è imposto
dalla capacità dei materiali utilizzati per le parti calde (acciaio, super leghe a base di nichel
o cobalto e materiali ceramici) di resistere alle alte temperature. Una panoramica sui valori
delle temperature di ingresso turbina (TIT) e dei rapporti di compressione (β) di alcuni
modelli di turbine a gas presenti sul mercato è riportata in Fig. 3.2.2. Nella stessa figura
sono anche riportate le curve che indicano le regioni a massimo rendimento ed a massimo
lavoro specifico. Infatti, come mostrato più in dettaglio in Fig. 2.2.3, il lavoro specifico e il
rendimento sono funzione dei due parametri operativi temperatura di ingresso in turbina
(TIT) e rapporto di compressione (β).
Fig. 3.2.1 - Turbina a gas
________________________________________________________________________________
70
Temperatura ingresso turbina (TIT) [°C]
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________________________________________________________________________________________________
1700
1500
M501 G
max. lavoro
specifico
1300
W94.3A
Trent 60
RB211
LM2500
GT11N2
Taurus 50
GT13E2
Centaur 50
PGT5 MAN1301-11
PG5371
Saturn 20
PG9351
1100
900
LM6000
max. rendimento
700
500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Rapporto di compressione (β)
Fig. 3.2.2 – Rapporto di compressione e temperatura di ingresso in turbina
di alcuni modelli di turbine a gas [1]
0.60
0.50
TIT = 1300°C
48
0.40
Rendimento
TIT = 1500°C
56
TIT = 1100°C
36
0.30
β=8
TIT = 900°C
0.20
β=8
β=8
β=4
26
TIT = 700°C
0.10
β=2
10
0.0
0
100
200
300
400
500
600
Lavoro specifico [kJ/kg]
Fig. 3.2.3 – Andamento del lavoro specifico e del rendimento in funzione del rapporto di compressione (β)
e della temperatura di ingresso in turbina (TIT) [1]
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71
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Le prestazioni di una turbina a gas dipendono inoltre dalle condizioni ambientali e dal
carico. In Fig. 3.2.4 sono riportati a titolo esemplificativo gli andamenti di potenza elettrica
prodotta, potenza immessa con il combustibile, portata e temperatura dei gas all’uscita
della turbina in funzione della temperatura ambiente e del carico per la turbina a gas
Siemens SGT-300. Hanno inoltre influenza sulle prestazioni della turbina a gas anche la
pressione ambiente (se diminuisce, diminuisce la potenza prodotta), le cadute di pressione
all’aspirazione ed allo scarico (se aumentano, diminuisce la potenza prodotta) e la
tipologia/composizione del combustibile.
Tra i parametri ambientali (temperatura, pressione e umidità relativa dell’aria aspirata
dalla macchina) quello che più influisce sulle prestazioni della turbina a gas è la
temperatura dell’aria aspirata: all’aumentare della temperatura, a causa della minore
densità dell’aria in aspirazione, si ha un decremento della potenza utile elettrica e, in
misura meno marcata, del rendimento. Tale effetto è chiaramente evidenziato in Fig. 3.2.4;
la limitazione dell’incremento di potenza che si nota a bassa temperatura è necessaria per
evitare problemi di pompaggio del compressore. La sensibilità delle prestazioni alla
temperatura dell’aria aspirata dipende da macchina a macchina (ogni costruttore fornisce
la specifica curva di derating ambientale) ma il trend è generalizzabile.
7.90 MW(e) Generator Set – Nominal performance
Altitude: Sea level
Ambient pressure: 101.3 kPa
Relative humidity: 60%
Inlet ducting loss: 1.0 kPa
Exhaust ducting loss: 2.0 kPa
(Assumes waste heat recovery)
Gearbox efficiency: 99.0%
Generator efficiency: 97%
Natural gas fuel
Fig. 3.2.4 – Andamento di potenza elettrica prodotta, potenza immessa con il combustibile,
portata e temperatura dei gas all’uscita della turbina in funzione di temperatura ambiente e carico
per la turbina a gas Siemens SGT-300
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Nelle taglie medie e grandi le turbine a gas sono una tecnologia affermata da tempo. Esse
offrono buoni rendimenti elettrici (in media attorno al 30% nelle taglie da 1 a 10 MWe, con
punte fino al 40%, come riportato in Tab. 3.2.1) insieme alla possibilità di recuperare calore
ad alta temperatura dai gas di scarico (in media superiori a 500 °C, arrivando in alcuni casi
fino a circa 600°C, come riportato in Tab. 3.2.1), caratteristica particolarmente adatta ad
alcuni processi industriali caratterizzati da una domanda di vapore o energia termica a
media temperatura.
Da un punto di vista meccanico, le turbine a gas possono essere considerevolmente più
semplici rispetto ai motori alternativi a combustione interna. Le turbine più semplici
possono avere un solo organo mobile (escludendo il sistema combustibile): il rotore
composto da albero, compressore, turbina e alternatore. Le turbine a gas più sofisticate
possono avere alberi multipli, centinaia di palette di turbina, palette statoriche regolabili e
sistemi complessi di tubazioni, combustori e scambiatori di calore. In generale, al
diminuire della taglia della turbina, aumenta la velocità di rotazione dell’albero (o degli
alberi), con valori che possono arrivare fino a 100.000 giri/min nel caso delle micro turbine
a gas.
Principali costruttori e modelli sul mercato
In Tab. 3.2.1 sono riportate le caratteristiche principali delle turbine a gas di taglia tra 1 e
10 MWe attualmente disponibili sul mercato [2, 3].
Per ciascun modello di turbina a gas è riportata: la potenza elettrica (Pe), il consumo
specifico (Heat Rate), il rendimento “η”, le emissioni di NOx, la temperatura di ingresso in
turbina “TIT”, il rapporto di compressione “β”, la temperatura dei gas esausti all’uscita
della turbina “TOT”, la loro portata e l’anno di introduzione nel mercato.
Tab. 3.2.1 - Turbine a gas (1 - 10 MWe) attualmente disponibili sul mercato [2, 3]
Costruttore
Modello
Pe
Heat Rate
η
β
TOT
Portata
NOx
NOx
[kWe]
[kJ/kWh]
[%]
[-]
[°C]
[kg/s]
mg/kWhc
mg/kWhe
Anno
Aviadvigatel
GTU-2.5P
2550
17062
21.1
5.9
361
25.6
150
711
1995
Aviadvigatel
GTU-4P
4130
15000
24.0
7.3
414
29.8
150
625
1997
Aviadvigatel
GTU-6P
6140
13793
26.1
8.5
492
32.6
150
575
Centrax Gas Turbine
CX501-KB3
2691
14343
25.1
8.0
566
12.8
Centrax Gas Turbine
CX501-KB5
3947
12371
29.1
10.2
555
15.7
1992
Centrax Gas Turbine
CX501-KN5
4495
11650
30.9
10.7
549
16.4
1992
Centrax Gas Turbine
CX501-KH5
6344
9023
39.9
12.3
522
18.4
1992
Centrax Gas Turbine
CX501-KB7
5333
11215
32.1
13.5
499
21.0
1993
Centrax Gas Turbine
CX501-KN7
5766
10746
33.5
14.0
486
21.7
1993
Dresser-Rand
KG2-3E
1895
21557
16.7
4.7
549
15.0
1989
Ebara
ST6L-795
678
14575
24.7
7.4
589
3.2
1986
Ebara
ST6L-813
848
13793
26.1
8.5
566
3.9
1978
1995
2002
1993
Ebara
ST18A
1961
11842
30.4
14.0
532
8.0
Ebara
SwiftPac 4
3880
11321
31.8
16.9
544
13.9
Ebara
ST40
4039
10876
33.1
16.9
544
13.9
1999
Hitachi Zosen
GT10
4130
12203
29.5
10.4
566
15.6
2006
Hitachi Zosen
GT13
5600
11215
32.1
14.3
504
21.3
2006
________________________________________________________________________________
73
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Hitachi Zosen
VHP6
6260
9326
38.6
12.5
533
18.1
IHI Power Systems
IM270
2000
14634
24.6
12.2
545
9.7
148
601
2006
1996
IHI Power Systems
IM400
4100
13235
27.2
10.9
580
15.9
177
652
1982
IHI Power Systems
IM400
5460
12287
29.3
13.5
511
20.3
177
605
1992
IHI Power Systems
IM400 IHI-FLECS
6230
10084
35.7
12.4
554
18.2
177
497
1996
IHI Power Systems
Taurus 70
7336
10811
33.3
16.0
489
26.7
Iskra Energetika
GTES-4
4100
14876
24.2
7.1
422
29.5
Iskra Energetika
GTES-6
6200
13483
26.7
8.7
478
33.5
Kawasaki Heavy Ind.
S2A-01
648
18182
19.8
8.5
474
5.1
Kawasaki Heavy Ind.
M1A-13X
1425
15254
23.6
9.6
523
7.9
Kawasaki Heavy Ind.
M1A-13
1485
14876
24.2
9.4
521
8.0
Kawasaki Heavy Ind.
M1A-13D
1485
15000
24.0
9.6
531
7.9
Kawasaki Heavy Ind.
M1T-13
2930
15063
23.9
9.4
521
16.1
Kawasaki Heavy Ind.
M1T-13D
2930
15254
23.6
9.5
531
15.9
Kawasaki Heavy Ind.
M7A-01
5512
12162
29.6
12.7
545
21.8
1993
Kawasaki Heavy Ind.
M7A-01S
6545
10811
33.3
12.7
527
22.2
1996
Kawasaki Heavy Ind.
M7A-02
6784
11881
30.3
15.9
516
27.0
Kawasaki Heavy Ind.
M7A-01D
5381
12287
29.3
12.7
542
21.8
154
525
1993
Kawasaki Heavy Ind.
M7A-02D
6721
11921
30.2
15.9
513
27.0
154
510
1997
Kawasaki Heavy Ind.
M7A-03D
7439
10876
33.1
15.9
509
27.0
154
465
MAN Turbo AG
THM1203A
5760
16000
22.5
8.0
515
35.8
1979
MAN Turbo AG
THM1304-10
9320
12857
28.0
10.0
500
45.4
1980
Mitsubishi Heavy Ind.
MF-61
5925
12544
28.7
15.0
496
27.2
1989
Mitsui Eng. & Shipbuilding
SB5
1080
14118
25.5
10.0
492
5.0
1987
Mitsui Eng. & Shipbuilding
SB15
2720
14063
25.6
10.0
491
14.5
1986
Mitsui Eng. & Shipbuilding
MSC40
3520
12903
27.9
9.7
437
18.6
1970
Mitsui Eng. & Shipbuilding
MSC50
4350
12329
29.2
10.3
501
19.0
1985
Mitsui Eng. & Shipbuilding
MSC60
5000
11881
30.3
11.7
481
21.4
1989
Mitsui Eng. & Shipbuilding
MSC70
6840
11146
32.3
15.0
479
25.5
1994
Mitsui Eng. & Shipbuilding
SB30E
7330
12857
28.0
12.5
502
32.9
1995
2007
150
620
1999
2001
1979
154
652
2001
1989
154
641
1995
1989
154
652
1995
1997
2006
Mitsui Eng. & Shipbuilding
MSC90
9290
11356
31.7
16.2
464
39.2
1987
Motor Sich-Progress
TV3-137
1100
14400
25.0
7.5
421
7.3
1999
Motor Sich-Progress
AI-20DME
2500
15000
24.0
9.0
520
19.4
Motor Sich-Progress
GTE-6.3/MS
6300
11613
31.0
15.3
431
31.9
150
484
Motor Sich-Progress
GTE-8/MS
8000
11321
31.8
17.5
452
36.8
150
472
NK-Engines
NK-143
10000
10909
33.0
11.3
-
39.7
1996
OPRA
OP16-3A
1910
13383
26.9
6.7
556
8.7
2004
OPRA
OP16-3B (DLE)
1910
13383
26.9
6.7
556
8.7
2004
Orenda Aerospace
OGT2500
2670
13483
26.7
12.0
460
15.0
1994
Orenda Aerospace
GT4000SI
4050
10619
33.9
12.0
450
17.0
1994
Orenda Aerospace
GT6000
6500
11803
30.5
14.0
420
31.0
1994
Pratt & Witney Power Sys.
ST6L-795
678
14575
24.7
7.4
589
3.2
1986
Pratt & Witney Power Sys.
ST6L-813
848
13793
26.1
8.5
566
3.9
1978
1991
1997
2001
Pratt & Witney Power Sys.
ST18A
1961
11842
30.4
14.0
532
8.0
1995
Pratt & Witney Power Sys.
Swift-Pac 4
3880
11321
31.8
16.9
544
13.9
2003
Pratt & Witney Power Sys.
ST40
4039
10876
33.1
16.9
544
13.9
Rolls-Royce
501-KB5
3897
12414
29.0
10.3
560
15.4
154
531
1990
Rolls-Royce
501-KB7S
5245
11429
31.5
13.9
498
21.1
154
489
1992
1999
Rolls-Royce
501-KH5
6447
8978
40.1
12.5
530
18.4
154
384
1982
Siemens
SGT-100
4350
12000
30.0
13.0
527
17.7
154
513
1989
Siemens
SGT-100
4700
11921
30.2
14.1
524
19.1
154
510
1989
Siemens
SGT-100
5050
11921
30.2
14.3
546
19.5
154
510
1997
Siemens
SGT-100
5250
11803
30.5
14.8
530
20.9
154
505
1998
Siemens
SGT-200
6750
11429
31.5
12.3
466
29.5
154
489
1981
________________________________________________________________________________
74
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Siemens
SGT-300
7900
11538
31.2
13.8
537
29.9
Solar Turbines
Saturn 20
1210
14815
24.3
6.8
504
6.5
92
296
1995
1985
Solar Turbines
Centaur 40
3515
12903
27.9
9.8
443
19.0
1992
Solar Turbines
Centaur 50
4600
12287
29.3
10.6
510
19.1
1993
Solar Turbines
Mercury 50
4600
9351
38.5
9.9
377
17.7
1997
Solar Turbines
Taurus 60
5670
11429
31.5
12.5
510
21.8
1993
Solar Turbines
Taurus 65
6300
10942
32.9
15.1
549
21.1
2005
Solar Turbines
Taurus 70
7520
10651
33.8
16.1
485
26.9
1994
Turbomach SA
Saturn 20
1204
14815
24.3
6.7
506
6.5
1985
Turbomach SA
Centaur 40
3515
12903
27.9
9.7
443
19.0
1992
Turbomach SA
Centaur 50
4600
12245
29.4
10.6
509
19.1
1993
Turbomach SA
Mercury 50
4600
9351
38.5
9.9
374
17.8
1997
Turbomach SA
Taurus 60
5670
11429
31.5
12.0
511
21.8
1993
Turbomach SA
Taurus 65
6300
10942
32.9
15.0
549
21.1
2005
Turbomach SA
Taurus 70
7520
10651
33.8
16.0
486
26.9
1994
Vericor
VPS1
500
17391
20.7
10.5
487
3.6
1974
Vericor
VPS3
3148
12721
28.3
8.7
598
12.8
1978
Vericor
VPS4
3519
11842
30.4
9.9
580
13.8
1999
Zorya-Mashproekt
UGT 2500
2850
12632
28.5
12.0
460
16.5
1992
Zorya-Mashproekt
UGT 6000
6360
11429
31.5
13.5
425
30.5
1978
Zorya-Mashproekt
UGT 8000
9000
10714
33.6
17.9
480
35.0
2006
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Lʹelevata temperatura dei gas allo scarico delle turbine a gas (in media superiori a 500 °C,
arrivando in alcuni casi fino a circa 600°C, come riportato in Tab. 3.2.1), consente il
recupero dellʹenergia termica mediante cessione di calore ad un fluido termovettore
(vapore, acqua pressurizzata, olio diatermico) in una apposita caldaia a recupero, oppure
per uso diretto del calore sensibile contenuto nei gas esausti. Il calore recuperato può
essere sfruttato per produrre ulteriore energia elettrica negli impianti a ciclo combinato
gas-vapore, oppure come calore utile per un processo industriale o per usi civili negli
impianti di cogenerazione. In particolare, la temperatura dei gas combusti scaricati dalla
macchina rende la turbina a gas in assetto cogenerativo estremamente interessante per le
applicazioni industriali, in quanto è possibile generare vapore ad alta pressione o disporre
di gas caldi da impiegare in forni o dispositivi di essiccazione.
Uno schema di una turbina a gas cogenerativa con caldaia a recupero per la produzione di
vapore (HRSG) è riportato in Fig. 3.2.5.
L’operazione di recupero termico avviene a valle della macchina, sui gas caldi scaricati
dalla turbina e destinati ad essere immessi in atmosfera. Questa operazione influenza
quindi in modo quasi trascurabile le prestazioni della turbina a gas, in quanto l’unica
variazione introdotta rispetto all’assetto non cogenerativo è la variazione della perdita di
carico allo scarico della macchina, dovuta all’inserimento del sistema di recupero termico.
Gli impianti cogenerativi con turbina a gas, oltre ad essere uno dei sistemi che consentono
di disporre di calore alle temperature più elevate, permettono, mediante l’introduzione di
opportuni dispositivi esterni alla macchina, di regolare con facilità la potenza termica
destinata al sistema di recupero termico, risultando così molto flessibili rispetto
all’andamento temporale dei carichi termici. La regolazione può avvenire secondo due
modalità (Fig. 3.2.6):
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75
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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−
−
regolazione della turbina a gas;
regolazione del recupero di calore con operazioni che coinvolgono il sistema di
recupero termico (ad esempio introducendo un sistema di by-pass e/o di postcombustione).
Fig. 3.2.5 – Schema di un impianto con turbina a gas con recupero di calore mediante produzione di vapore
La regolazione della turbina a gas viene attuata mediante diversi interventi che
permettono di variare i parametri di funzionamento caratteristici della macchina,
penalizzando il meno possibile le prestazioni del sistema in termini di efficienza. Gli
interventi di regolazione usualmente utilizzati in modo accoppiato sono:
−
regolazione della portata d’aria aspirata dal compressore mediante la rotazione delle
IGV (Inlet Guide Vanes: palettature statoriche a calettamento variabile dei primi stadi
del compressore);
−
regolazione della portata di combustibile per mantenere invariata la temperatura di
ingresso turbina (TIT).
Gli interventi di regolazione sul sistema di recupero termico consentono di disaccoppiare
il funzionamento della turbina a gas da quello della sezione di recupero termico. Infatti,
introducendo un camino di by-pass a monte del sistema di recupero termico, camino che
permette di scaricare parte dei gas combusti direttamente in atmosfera senza farli
transitare attraverso il sistema di recupero termico stesso, è possibile limitare il calore
fornito all’utenza termica senza intervenire sulla turbina a gas (punto C in Fig. 3.2.7).
Analogamente, introducendo un meccanismo di post-combustione all’ingresso del sistema
di recupero termico, è possibile aumentare la temperatura dei gas combusti in ingresso,
aumentando così il calore messo a disposizione dell’utenza termica, senza influenzare le
prestazioni della turbina a gas (punto B in Fig. 3.2.7). Entrambe queste modalità di
regolazione non sono efficienti da un punto di vista termodinamico in quanto nel primo
caso si disperde direttamente nell’ambiente del calore che non viene utilizzato, mentre nel
________________________________________________________________________________
76
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
secondo si brucia un combustibile pregiato (tipicamente gas naturale disponibile per
alimentare il combustore della turbina a gas) per generare calore in modo diretto.
Per quanto riguarda il camino di by-pass, esso non presenta limiti di funzionamento, in
quanto può consentire a tutta la portata di gas combusti di attraversare il sistema di
recupero termico oppure bloccare completamente l’afflusso in tale direzione e smaltire
l’intera portata di gas di scarico facendo funzionare il sistema in assetto di sola
generazione elettrica. Il dispositivo di post-combustione presenta invece due limiti, il
primo dovuto al raggiungimento di temperature troppo elevate per essere sopportate dai
materiali del sistema di recupero termico, e il secondo dovuto al completo esaurimento
dell’ossigeno ancora disponibile all’interno dei gas scaricati della turbina. In generale, dato
l’elevato eccesso d’aria con cui funzionano le turbine a gas, la condizione più restrittiva è
quella imposta dai limiti di resistenza alle alte temperature dei materiali.
Queste tipologie di interventi di regolazione, sebbene non siano efficienti dal punto di
vista strettamente energetico, conferiscono al sistema cogenerativo una grande flessibilità
di funzionamento, in quanto consentono, fissato il carico elettrico, di soddisfare l’intero
campo di carichi termici compatibili con i limiti fisici del sistema.
Un problema caratteristico delle turbine a gas in configurazione cogenerativa, é il
rendimento relativamente limitato della caldaia a recupero, dovuto alla rilevanza delle
perdite per calore sensibile allo scarico (caratteristiche di sistemi con eccesso dʹaria
elevato). La temperatura dei gas allo scarico della turbina a gas è di norma compresa tra
500 e 600 °C; peraltro, la temperatura al camino non può raggiungere valori molto bassi
(prossimi a 25 °C), principalmente per due motivi:
•
al di sotto dei 100 °C esistono problemi legati alla condensazione dellʹumidità
presente nei gas di scarico. Inoltre, risulta problematico garantire un adeguato
tiraggio al camino, in quanto il pennacchio di gas freddi presenta una scarsa
tendenza al galleggiamento rispetto allʹaria ambiente in cui viene immesso;
•
Molti processi cogenerativi riconducono il fluido termovettore (di norma acqua) alla
caldaia a recupero in condizioni di temperatura ancora elevate (80 - 90 °C nel caso di
recupero del condensato in condizioni di pressione atmosferica; molti processi
utilizzano e condensano però il vapore in condizioni pressurizzate, per cui il
recupero del condensato può avvenire anche a 120 - 150 °C). È quindi impossibile
raffreddare i gas nella caldaia a recupero al di sotto della temperatura minima
dellʹutenza termica.
________________________________________________________________________________
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________________________________________________________________________________________________
Fig. 3.2.6 - Piano di funzionamento caratteristico
di una turbina a gas a ciclo semplice con camino di
by-pass e sistema di post-combustione
Fig. 3.2.7 - Regolazione del carico termico mediante
camino di by-pass (punto C) e post-combustore
(punto B) indipendentemente dalla potenza
elettrica erogata dalla macchina (punto A)
In ambito industriale risulta spesso conveniente utilizzare come fluido termovettore il
vapore: infatti, nella condensazione che avviene allʹutenza termica, è possibile rilasciare
grandi quantità di energia per unità di portata di vapore, in quanto il calore latente di
vaporizzazione è dellʹordine di 2200 - 2400 kJ/kg. Il vapore viene di norma prodotto in
condizioni di modesto surriscaldamento, in modo da evitare la condensazione lungo le
linee di trasporto (peraltro coibentate). Lʹutenza termica provvede a condensare il vapore,
e restituisce alla pompa di circolazione un liquido leggermente sottoraffreddato (in modo
da evitare problemi di cavitazione; un eccessivo raffreddamento è controproducente in
quanto il liquido deve poi essere nuovamente riscaldato nella caldaia a recupero). In
considerazione del valore relativamente elevato della temperatura al camino, risulta che in
genere il calore sensibile allo scarico della turbina a gas che può essere recuperato è
dell’ordine del 60 - 80% dell’energia posseduta dai gas esausti.
Una indicazione sulla quantità di vapore producibile utilizzando un turbogas in assetto
cogenerativo è fornita in Fig. 3.2.8, che si riferisce ad una temperatura di ingresso dei gas
esausti nel generatore di vapore di 510 °C (media delle temperature di scarico delle
turbine riportate in Tab. 3.2.1) e ad una temperatura dei gas al camino limitata
inferiormente a 120 °C. Nella figura sono riportate in particolare le curve che
rappresentano, al variare della pressione del vapore, la massa di vapore producibile per
unità di massa di gas esausto, sia nel caso in cui il vapore prodotto sia vapore saturo, sia
nel caso in cui il vapore prodotto sia vapore surriscaldato a cinque diverse temperature di
surriscaldamento (Ts) tra i 250 °C e i 450°C. La temperatura di ritorno dell’acqua nel
generatore di vapore è assunta pari a 100 °C (condensazione atmosferica). Se invece di
produrre vapore si vuole produrre acqua calda, considerando il calore specifico medio a
pressione costante dei gas esausti tra 510 °C (media delle temperature di scarico delle
turbine riportate in Tab. 3.2.1) e una temperatura al camino tra gli 80 e i 120 °C, si ha che la
massa d’acqua calda producibile per unità di massa di gas è indicativamente pari a:
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M acqua
M gas
=
cp
medio
∆Tgas
cl ∆Tacqua
≅ 0.26
∆Tgas [°C]
∆Tacqua [°C]
Massa di vapore per unità di massa di gas
0.19
0.18
0.17
vapore saturo
0.16
0.15
Ts = 250 °C
0.14
300 °C
350 °C
0.13
400 °C
450 °C
0.12
0.11
0
5
10
15
20
25
Pressione vapore [barg]
30
35
40
Fig. 3.2.8 – Massa di vapore producibile per unità di massa di gas esausto (vapore saturo e vapore
surriscaldato alla temperatura Ts) al variare della pressione del vapore (temperatura di ingresso dei gas
esausti nel generatore di vapore = 510 °C; temperatura dei gas al camino > 120 °C)
La figura 3.2.9 riporta i valori di rendimento elettrico e termico delle turbine a gas di taglia
1-10 MWe in commercio ed i limiti individuati dalla delibera 42/02 dell’AEEG e successive
modifiche. Il rendimento termico è stato valutato supponendo di raffreddare i gas esausti
scaricati dalla turbina sia fino a 120 °C, sia fino a 100 °C. Le curve limite dell’IRE sono
ottenute sotto le seguenti ipotesi: alimentazione a gas naturale, connessione in media
tensione (sia nel caso di autoconsumo, sia nel caso di immissione in rete dell’E.E.
prodotta), utilizzo dell’energia termica in ambito industriale.
La figura 3.2.10 fornisce i valori di limite termico (LT) e IRE delle turbine a gas considerate
in Fig. 3.2.9.
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79
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1.0
0.9
E.E. autoconsumata
E.E. immessa in rete
Tu HRSG 100 °C
Tu HRSG 120 °C
IRE = 0.10
0.8
Rendimento termico
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
LT = 0.33
0.2
0.1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
Rendimento elettrico
0.4
0.5
Fig. 3.2.9 – Posizionamento delle turbine a gas di taglia 1-10 MWe in commercio rispetto alla normativa
italiana sulla cogenerazione. Ipotesi: combustibile GN, connessione in MT (sia nel caso di autoconsumo,
sia nel caso di immissione in rete dell’ E.E. prodotta), utilizzo del calore in ambito industriale, rendimento
termico valutato supponendo di raffreddare i gas all’uscita della turbina fino a Tu HRSG = 120 °C e 100 °C
0.90
0.80
IRE (Tu HRSG = 100 °C, E.E. immessa in rete)
0.40
0.70
IRE
Limite termico
0.50
LT (Tu HRSG = 100 °C)
LT (Tu HRSG = 120 °C)
0.60
IRE (Tu HRSG = 120 °C, E.E. immessa in rete)
0.30
0.20
0.50
0.10
0.40
0.30
1000
Potenza elettrica [kW]
10000
0.00
1000
Potenza elettrica [kW]
10000
Fig. 3.2.10 – Limite termico (LT) e IRE delle turbine a gas di taglia 1-10 MWe in commercio.
Ipotesi: combustibile GN, connessione in MT (immissione in rete dell’E.E. prodotta),
utilizzo del calore in ambito industriale, rendimento termico valutato supponendo
di raffreddare i gas all’uscita della turbina fino a Tu HRSG = 120 °C e 100 °C
________________________________________________________________________________
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Combustibili impiegabili
Il principale e più diffuso combustibile per l’alimentazione delle turbine a gas è il gas
naturale; tuttavia diversi costruttori forniscono anche varianti di progetto appositamente
studiate per l’alimentazione di diversi combustibili: gas naturale, gpl, biogas, propano,
gasolio, kerosene. Per la messa in esercizio della turbina a gas è necessaria la connessione
alla rete di approvvigionamento del combustibile, che, nella maggioranza delle
applicazioni, è la rete del gas naturale. Il sistema di alimentazione del combustibile deve
garantire la pressione richiesta dal costruttore in ingresso al sistema di alimentazione della
turbina a gas. Ogni modello di turbina a gas, in funzione della tipologia di camera di
combustione, del tipo di combustibile e del sistema di alimentazione del combustibile
adottati, necessita che il combustibile nel sistema di alimentazione presenti una certa
sovrapressione rispetto alla pressione a cui opera la camera di combustione della turbina a
gas. A titolo puramente orientativo, assumendo che la pressione richiesta al combustibile
gas naturale debba essere del 30-40 % superiore alle pressioni a cui opera la camera di
combustione, dati i rapporti di compressione caratteristici delle turbine a gas
(generalmente variabili tra 8 e 17, si veda Tab. 3.2.1), è richiesta una pressione di
alimentazione del gas naturale che sia, a seconda dei casi, almeno tra 10 e 25 bar. Pertanto,
se la rete di approvvigionamento del gas naturale non garantisce questi livelli nel punto di
connessione, è necessario un compressore per il gas. La presenza del compressore del gas
porta ad una riduzione della potenza elettrica netta prodotta di circa 3-5 % e ad una
conseguente riduzione del rendimento di 1-2 punti percentuali.
Nel caso di alimentazione della turbina con combustibile a basso potere calorifico, quali
biogas o gas di recupero, dati i valori del potere calorifico (9000-17000 kJ/kg) nettamente
inferiori a quelli del gas naturale, le portate di gas richieste a parità di potenza sono
superiori: questo fatto richiede in genere una modifica del sistema di iniezione del
combustibile in camera di combustione. Inoltre, come per i motori a combustione interna
anche se in misura minore rispetto a questi, l’adozione del biogas come combustibile
richiede a monte un sistema di abbattimento dall’eventuale H2S presente nel combustibile.
L’insufficiente abbattimento di questo composto presente nel combustibile comporta un
aumento delle emissioni di SOx allo scarico e problemi di corrosione.
In Fig. 3.2.11 sono evidenziate le modifiche richieste alla turbina a gas per poter utilizzare
combustibili diversi dal gas naturale (NG)
Fig. 3.2.11 – Modifiche richieste alla turbina a gas per l’utilizzo di combustibili diversi dal gas naturale (NG)
________________________________________________________________________________
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Le emissioni inquinanti di una turbina a gas dipendono da:
combustibile impiegato;
•
•
diluizione dei fumi, cioè percentuale di ossigeno nei gas esausti;
•
carico a cui funziona la macchina;
•
sistemi di contenimento utilizzati, come ad esempio combustori a basse emissioni
(DryLowNox) o sistemi di abbattimento allo scarico (SCR, Selective Catalytic
Reactor);
•
stato di salute della macchina e del sistema di contenimento delle emissioni.
Il fatto che le emissioni inquinanti dipendano dal tipo di combustibile impiegato e dalla
diluizione dei fumi fa sì che il costruttore debba sempre specificare queste informazioni in
caso di certificazione dei valori delle emissioni previste. Solitamente, le emissioni di
turbine a gas vengono espresse in “ppm” o in “mg/Nm3”, riferite ad una percentuale di
ossigeno nei fumi pari al 15 %.
Anche il carico a cui funziona la macchina incide in modo significativo sulle emissioni,
anche se la loro variazione con il carico dipende dalla logica di regolazione utilizzata. Ad
esempio per riduzioni del carico superiori al 30 % del carico massimo, le emissioni di CO
possono anche quadruplicare.
Per una breve rassegna delle metodologie e dei sistemi di contenimento delle emissioni, si
rimanda a [4,5].
In definiva, data la complessità del problema e anche per ragioni di segretezza industriale,
le informazioni relative alle emissioni inquinanti non sono molto diffuse. Ciò che il
costruttore certifica è in genere il rispetto della normativa vigente.
Per avere un ordine di grandezza delle emissioni di turbine a gas si riportano in Tab. 3.2.2
i dati relativi allo stato dell’arte al 2001 [6]. Valori più aggiornati sono invece riportati in
Fig. 3.2.12 [7]. Per un approfondimento sulle unità di misura utilizzate e sulle modalità di
conversione, si rimanda a [4,5,8].
Tab. 3.2.2 - Emissioni di turbogas senza recupero di calore (2001)[6]
Emissioni Input Based
[mg/kWhc]
CO2
NOx
CO
PM
170117
504
126
10
Emissioni Output Based
[mg/kWhe]
Sistema 1
Sistema 2
Sistema 3
Potenza [kW]
1000
5000
10000
Efficienza [%]
24.5
30.1
32.3
CO2
NOx
CO
PM
693510
2055
514
41
565082
1674
419
33
526111
1559
390
31
________________________________________________________________________________
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________________________________________________________________________________________________
NOx [mg/kWhc]
10
100
1000
1000
W/S inj
c
100
CO [mg/kWh ]
CO @ 15%O2 [ppmvd]
Conventional
DLE
100
10
Ultra Low Emissions
10
1
1
10
100
1000
NOx @ 15%O2 [ppmvd]
Fig. 3.2.12 – Emissioni di NOx e CO di turbogas alimentati a GN [7]
Modalità di connessione e di esercizio
La turbine a gas possono essere installate in configurazione “stand-alone”, cioè per
alimentare utenze completamente isolate dalla rete elettrica o in modalità “gridconnected”, cioè prevedendo la connessione anche alla rete esterna delle utenze.
La connessione delle turbine a gas di taglia da 1 a 10 MWe avviene generalmente in MT.
Per le macchine di taglia maggiore, nel caso di connessione diretta alla rete di trasmissione
nazionale, potrebbe capitare di doversi connettere direttamente in AT.
L’esercizio di una turbina a gas può essere continuo o “on demand”, cioè ad esempio per
soddisfare utenze saltuarie. Le principali modalità operative sono le seguenti:
− “termico segue”, cioè inseguendo la richiesta termica dell’utenza; il carico elettrico
varierà di conseguenza;
− “elettrico segue”, cioè adattandosi alla richiesta elettrica; il carico termico in tal caso
varierà di conseguenza;
− in condizioni di “by-pass”, parziale o totale, cioè deviando una parte dei fumi
direttamente verso il camino e non verso lo scambiatore di recupero al fine di
limitare la potenza termica prodotta.
Come detto in precedenza, un vantaggio della turbina a gas in assetto cogenerativo
rispetto ad altri sistemi CHP è costituito dal fatto che, data la modalità di effettuazione del
recupero a valle della macchina, il recupero termico non influenza le prestazioni elettriche
del sistema: la potenza termica generata può essere variata (tra il suo massimo e zero) in
base alle richieste, senza condizionare il rendimento della generazione di energia elettrica.
La turbina a gas è adatta a funzionare a carico ridotto solo entro certi limiti: generalmente,
per problemi legati alle emissioni e al ridursi del rendimento con il carico, non si scende a
valori inferiori al 60% del carico massimo.
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Affidabilità, costi di manutenzione e di impianto
Le turbine a gas presentano un’elevata affidabilità, con intervalli per gli interventi di
manutenzione programmata generalmente dell’ordine dell’anno per le turbine a gas di
tipo heavy-duty.
I costi di manutenzione “full service” vanno da circa 4 Euro/MWh per le taglie più grandi
a valori dell’ordine dei 7 Euro/MWh per le taglie di qualche MWe (Fig. 2.3.13).
Il costo medio di un impianto di cogenerazione con turbogas ʺchiavi in manoʺ, può variare
fra i 500 e i 1800 € per kWe installato [9]. Esso risulta più elevato in special modo per le
taglie di impianto inferiori ai 3 MWe, per le quali diventa rilevante lʹincidenza dei costi dei
vari componenti dellʹimpianto legati allʹutilizzo di una macchina, da alimentare con
combustibile ad elevata pressione e con recupero termico ad alta temperatura.
Per valutare l’incidenza del costo del turbogas rispetto al costo dell’intero impianto, si può
fare riferimento alla Fig. 3.2.14 [2, 10], in cui il costo di impianto iclude i costi per il
generatore di vapore a recupero, il compressore del gas naturale, l’impiantistica elettrica, il
servizio di gestione del cantiere e di commissioning. Si vede come il costo specifico (€/kW)
diminuisca all’aumentare della taglia, ma come tale diminuzione risulti più marcata per il
costo di impianto. Nel caso in cui il generatore di vapore a recupero debba essere dotato di
sistema di post-firing bisogna considerare dei costi aggiuntivi di impianto (dal 5 % al 25 %
del costo di impianto, a seconda della tipologia e delle potenzialità del sistema di postfiring) e per il personale (cinque fuochisti per un costo di circa 250000 €/anno.)
Costi di manutenzione [Euro / MWh]
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
Pe [MW]
10
Fig. 3.2.13 – Costi di manutenzione “full service” [10]
________________________________________________________________________________
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2000
Costo della turbina a gas
Costo specifico [Euro / kWe]
Costo dell'impianto cogenerativo
1500
1000
500
0
0
2
4
6
8
Pe [MW] 10
Fig. 3.2.14 – Confronto fra costo della singola turbina a gas e costo dell’impianto cogenerativo [2, 10]
Livello di diffusione e previsioni di mercato
Per il periodo 2005-2014 [2] si stima che verranno prodotte 1589 turbine a gas con potenza
fino a 3 MW, pari ad un market share del 21%, e 1557 turbine a gas di potenza da 3-10
MW, pari ad un market share del 20,6%. I dati sono sintetizzati per potenza in Tab. 3.2.3 e
per costruttore in Tab. 3.2.4.
Tab. 3.2.3 - Turbine a gas che saranno prodotte nel periodo 2005-2014 [2] (per taglia di potenza)
Potenza
[MWe]
Produzione attesa
(unità)
Quota di mercato
sulle unità prodotte [%]
Produzione attesa
(milioni $)
Quota di mercato
sul valore economico [%]
<3
1589
21.0
1956
1.7
3 – 10
1557
20.6
4089
3.5
10 – 20
215
2.9
1198
1.0
20 – 50
1105
14.6
10905
9.2
50 – 125
682
9.0
11885
10.0
125 – 180
1122
14.9
35910
30.3
> 180
1280
17.0
52535
44.3
Totale
7550
100.0
118477
100.0
________________________________________________________________________________
85
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Tab. 3.2.4 - Turbine a gas prodotte dai maggiori produttori per il periodo 2005-2014 [2] (per costruttore)
<3
3 – 10
10 – 20
20 – 50
50 – 125
125 – 180
> 180
Produzione attesa
per costruttore
(unità)
(unità)
(unità)
(unità)
(unità)
(unità)
(unità)
(unità)
[%]
Alstom
-
-
-
-
193
201
94
488
6.5
General Electric
-
16
44
539
395
475
524
1993
26.4
Hitachi
-
-
-
89
-
-
-
89
1.2
Kawasaki
1017
297
58
-
-
-
-
1372
18.2
Mitsubishi
-
-
22
-
-
-
256
278
3.7
OPRA
340
-
-
-
-
-
-
340
4.5
UTC PWPS
27
21
-
107
-
-
-
155
2.1
Rolls-Royce
5
324
3
79
44
-
-
455
6.0
Siemens
-
226
36
190
3
47
365
867
11.5
Solar
2
625
48
-
-
-
-
675
8.9
Vericor
4
22
-
-
-
-
-
26
0.3
Altri
194
-
-
-
-
399
-
813
10.7
Totale
1589
1557
215
1105
682
1122
1280
7550
100.0
Potenza [MWe]
Esempi di realizzazioni
Le prestazioni di sistemi cogenerativi con turbine a gas dipendono, oltre che dal tipo di
turbogas utilizzato, anche dal tipo di applicazione considerata. Per avere una panoramica
sulle prestazioni di sistemi cogenerativi con turbine a gas, si riportano in Tab. 3.2.5 i dati,
relativi allo stato dell’arte al 2001 [6].
Tab. 3.2.5 - Prestazionali tipiche di turbogas cogenerativi nel 2001 [6]
Potenza [kW]
Efficienza elettrica [%]
Costi di installazione [$/kW]
Pressione combustibile [barg]
Portata dei gas allo scarico [kg/s]
Temperatura gas allo scarico [°C]
Temperatura gas al camino [°C]
Potenza vapore [kW]
Portata vapore [kg/s]
Efficienza in cogenerazione [%]
Sistema 1
1000
24.5
1780
6.55
5.54
510
138
2082
0.84
76
Sistema 2
5000
30.1
1010
11.03
20.41
510
138
7802
3.15
77
Sistema 3
10000
32.3
970
17.24
39.82
491
138
14548
5.87
79
Nel seguito, sono riportati alcuni esempi di applicazione di turbogas in assetto
cogenerativo, in funzione in Italia.
I casi riportati sono quelli, di cui sono disponibili pubblicamente le informazioni tecniche
relative alla configurazione del sistema energetico adottato.
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Cartiere Cariolaro (Carmignano di Brenta, PD)
Ai fini del potenziamento della centrale di cogenerazione dello stabilimento di
Carmignano di Brenta, è stato installato un nuovo TurboGruppo con turbina a gas.
Lʹimpianto si compone di un gruppo turbogeneratore a gas della potenza nominale di
5195 kWe alimentato a gas metano e di una caldaia a semplice recupero per la produzione
di circa 11,9 t/h di vapore saturo a 15 bar relativi. Il vapore così prodotto viene inviato al
collettore per essere successivamente impiegato nelle fasi di produzione dello
stabilimento. Con lʹinstallazione della nuova centrale, la produzione di energia elettrica
copre completamente lʹalimentazione dello stabilimento in mancanza di rete di
alimentazione esterna. Il surplus di energia autoprodotta viene ceduto alla rete.
Lʹintervento alla Centrale termica ha permesso inoltre di minimizzare le emissioni in
atmosfera grazie allʹutilizzo di combustibili a basso impatto ambientale (metano) in
sostituzione di quelli ad alto impatto (nafta). [11]
Cartiere di Trevi (Trevi, PG)
L’Azienda, nell’ottica dell’ottimizzazione delle prestazioni ambientali e del risparmio
energetico, nel 1995 installa un impianto di cogenerazione con una turbina PGT2 Nuovo
Pignone-General Electric che utilizza gas metano per generare energia elettrica della
potenza di 2 MW. I gas di scarico, che hanno una temperatura di 520° C, sono convogliati
in uno scambiatore di calore atto a produrre vapore alla pressione di 16 bar, che viene
impiegato per gli usi tecnologici dell’azienda. Quindi con una stessa quantità di metano, si
producono contemporaneamente sia energia elettrica che vapore saturo, e si ottiene quindi
un duplice vantaggio in termini di contenimento dei costi e di minor richiesta di energia
agli enti produttori. [12]
Ceramiche Sichenia (Sassuolo, MO)
La ditta, per ridurre i costi operativi, ha installato una turbina a gas da 1.1 MWe con un
generatore elettrico, in assetto cogenerativo. L’elettricità prodotta dal generatore viene
usata direttamente dallo stabilimento, mentre i gas esausti all’uscita dalla turbina vengono
usati direttamente per asciugare i prodotti ceramici. [13]
Le caratteristiche dell’impianto sono riportate di seguito:
‐
turbina Solar “Saturn 20”: 1.1 MWe;
‐
ciclo turbogas con recupero di calore;
‐
l’impianto lavora 5 giorni alla settimana;
‐
5 milioni di kWh all’anno di energia elettrica prodotta;
‐
quantità di combustibile utilizzato: 360 – 470 Sm3/h;
‐
combustibile utilizzato: gas naturale;
‐
rendimento elettrico = 23%;
‐
rendimento termico = 74%.
Cartiere Fedrigoni S.p.a. (Arco, TN) [14]
‐
tipo di impianto: turbogas;
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
combustibile utilizzato: metano;
Turbina: Solar Taurus 70;
Pel: 7,2 MWe;
2 caldaie: 1 a recupero (14 t/h di vapore) ed 1 a olio diatermico (20 t/h) per carichi
particolarmente gravosi;
energia elettrica prodotta dallʹimpianto in un anno: 54.140.562 kWh prodotta ed
utilizzata nellʹanno 2007 (346 giorni di esercizio);
Temperature in gioco: 480°C ingresso caldaia a recupero, 130°C uscita fumi;
Pressione del vapore saturo: 12 bar;
Non c’è surplus di energia elettrica che viene immessa in rete.
Riferimenti bibliografici – paragrafo 3.2
[1] Bhargava R. K., Bianchi M., De Pascale A., Negri di Montenegro G., Peretto A., 2007,
“Gas Turbine Based Power Cycles - A State-of-the-Art Review”, Proc. of the International
Conference on Power Engineering-2007 (ICOPE 2007), Hangzhou, China.
[2] Gas Turbine World Handbook 2007-2008, Vol. 26, Pequot Publishing, Inc., CT, USA.
[3] Turbomachinery International – Handbook 2008
[4] Lozza G., 1996, “Turbine a gas e cicli combinati”, Progetto Leonardo, Bologna.
[5] Negri di Montenegro G., Bianchi M., Peretto A., 2001, “Sistemi energetici e loro
componenti”, Pitagora Editrice, Bologna
[6] www.epa.gov
[7] Gli impianti di produzione dell’energia e la loro efficienza, Convegno ARPA 2005 www.arpa.emr.it
[8] Bianchi M., De Pascale A., 2007, ʺCriteri di valutazione delle emissioni gassose nella
cogenerazioneʺ, Atti, 62° Congresso Nazionale ATI, Salerno, 11 - 14 Settembre, Cuzzolin
Ed., Napoli, Vol. I, pp. 538-543
[9] Guida alla cogenerazione: efficienza energetica e benefici ambientali con la produzione elettrica
distribuita - www.confindustriaixi.it
[10] www.comart.biz
[11] www.cariolaro.com
[12] www.cartiereditrevi.com
[13] www.solarturbines.com
[14] www.fedrigonicartiere.com
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3.3 Microturbine a gas
Le microturbine a gas presentano taglie di potenza elettrica tipicamente nel range che va
dai 30÷200 kW e rendimenti elettrici dell’ordine di 25÷30%. Sono macchine che in generale
hanno ormai raggiunto un adeguato livello di sviluppo tecnologico ma presentano una
diffusione ancora limitata nel campo della cogenerazione.
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
La microturbina a gas (MTG) è un particolare tipo di turbina a gas che si caratterizza per
delle taglie di potenza elettrica molto limitate rispetto alle turbine a gas convenzionali;
inoltre la microturbina presenta alcune caratteristiche architettoniche ed operative
distintive rispetto alle turbine di grandi dimensioni: in generale la filosofia di progetto è
diversa, in quanto per taglie così limitate si adottano soluzioni tecnologiche non sofisticate
evitando gli accorgimenti più evoluti propri delle macchine di grande potenza e che non
sarebbero economicamente giustificabili su macchine così piccole.
Uno schema concettuale di una microturbina è mostrato in figura 3.3.1: il funzionamento
prevede l’ingresso di aria esterna che viene compressa da un compressore, preriscaldata in
uno scambiatore di calore ed ulteriormente riscaldata nella camera di combustione, a
seguito della ossidazione di un combustibile in seno al flusso di aria. I gas caldi vengono
espansi in turbina e quindi passano nello scambiatore di recupero prima di essere scaricati.
Quando il sistema opera in assetto cogenerativo è presente un secondo scambiatore di
calore che sfrutta la temperatura ancora elevata dei gas per riscaldare un fluido esterno,
tipicamente l’acqua di alimento delle utenze termiche. La potenza meccanica disponibile
all’albero della turbina viene impiegata in parte per trascinare il compressore ed in parte
viene ceduta all’esterno, ad un generatore di corrente elettrica calettato sull’asse del turbocompressore.
Figura 3.3.1
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Date le ridotte potenze in gioco e per contenere le dimensioni del sistema, il gruppo turbocompressore ruota con velocità molto elevate (dell’ordine di 100000 giri al minuto), il che
comporta elevati valori della frequenza della corrente generata; inoltre il sistema è
progettato per funzionare con velocità di rotazione variabile al variare del carico e dunque
la corrente alternata viene prodotta a frequenza variabile; per questo motivo a valle
dell’alternatore è previsto un sistema elettronico di condizionamento, per convertire la
corrente alternata alla frequenza nominale di rete pari a 50 Hz22. La possibilità di
funzionare a velocità di rotazione variabile, al variare del carico, conferisce alla MTG una
flessibilità operativa maggiore rispetto alle grandi turbine a gas, per le quali la velocità di
rotazione è invece fissa e stabilita direttamente dalla frequenza di rete. Con tale modalità
operativa a giri variabili, si attenua il decadimento di prestazioni in termini di rendimento
che si avrebbe a carico ridotto se la velocità fosse costante; pertanto le MTG sono anche
utilizzabili in applicazioni nelle quali è richiesta una frequente modulazione del carico.
In definitiva la microturbina a gas si compone dei seguenti elementi:
un gruppo turbo-compressore che nella fattispecie delle MTG è a sua volta composto
da un compressore centrifugo monostadio, ed una turbina a gas monostadio a flusso
radiale;
una camera di combustione, di dimensioni limitate che può essere con architettura
anulare (di derivazione aeronautica) o tubolare (disposta trasversalmente all’asse
della macchina);
uno scambiatore di recupero termico a superficie di tipo compatto (a lamierini)
spesso integrato all’interno della macchina;
un alternatore;
un sistema elettronico di condizionamento della potenza elettrica in uscita.
Dal punto di vista termodinamico, la microturbina si caratterizza per:
valori di rapporto di compressione limitati, tipicamente nel range 3 ÷ 5, in
conseguenza dell’impiego di un unico stadio di compressore radiale;
temperature di ingresso turbina modeste (inferiori a 900 ÷ 950°C); la turbina radiale
non è infatti raffreddata e non è realizzata in materiale ceramico in accordo con una
filosofia di progetto volta a ridurre i costi del sistema;
un ciclo termodinamico con recupero termico, che consente di ottenere rendimenti
elettrici non troppo penalizzati dal limitato contenuto tecnologico dei componenti
della MTG.
In assenza del recupero termico infatti, dati i limitati valori di temperatura dei gas in
ingresso alla turbina si avrebbe un rendimento del ciclo molto scadente, per rapporti di
compressione tipici delle MTG; al contrario, come evidente in figura 3.3.2, per un ciclo con
recupero di calore i rendimenti potenzialmente ottenibili con limitati valori di temperatura
di ingresso turbina (TIT) possono raggiungere valori massimi fino al 30 % circa con
In realtà la tensione a frequenza variabile viene prima raddrizzata e poi riportata alla frequenza costante
della rete
22
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90
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Efficienza
rapporti di compressione nel range 3 ÷ 5.
40
35
TIT = 950°C
TIT = 850°C
Ciclo con recupero termico
30
25
Ciclo
senza recupero
20
15
10
5
0
2
4
6
8
10
12
Rapporto di compressione
Figura 3.3.2
Principali costruttori e modelli sul mercato
Attualmente i principali produttori di microturbine a gas sono:
− Capstone Turbine Corporation
− Turbec
− Elliott Energy System, Inc. (Ebara Group)
− Ingersoll Rand Company
− Bowman Power System Inc.
I dati fondamentali delle microturbine in commercio desunti dai relativi cataloghi sono
riportati in tabella 3.3.1. I valori di emissioni sono espressi in mg/kWhe e in diversi casi
sono stati ricavati in base ai valori di concentrazione nei fumi forniti dai costruttori.
Tabella 3.3.1
Costruttore
Modello
Pe
[kWe]
ηe
[%]
ηt
[%]
Capstone
Capstone
Capstone
Ingersoll Rand
Bowman
Elliott
Elliott
Turbec
Capstone
Ingersoll Rand
Capstone
C30
C60*
C65
MT70*
TG80CG
TA80*
TA100
T100
C200
MT250
C1000**
30
60
65
70
80
80
100
100
190
250
1000
26
28
29
28
26
28
29
30
31
30
33
53.7
50.0
40.0
48.8
60.0
50.0
46.5
40.0
44.6
-
Portata
fumi
[kg/s]
0.31
0.49
0.49
0.73
0.83
0.77
1.0
0.81
1.3
2.0
6.7
velocità
[rpm]
β
96000
96000
96000
44000
68000
70000
65000
45000
-
3.5
3.7
3.7
4.0
4.0
4.5
-
T fumi
NOx
CO
(no CHP)
[mg/kWhe] [mg/kWhe]
[°C]
275
215
582
360
200
540
309
83
210
200
122
278
597
230
555
405
293
514
326
270
311
189
280
180
249
104
63
275
-
* vecchio modello, non più indicato nel catalogo aggiornato del costruttore
** package ottenuto con 5 moduli C200
________________________________________________________________________________
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Rendimento termico
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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0.6
P =100%
th
0.5
P =75%
th
IRE = 0.10
P =50%
th
0.4
0.3
IRE < 0.10
LT = 0.33
0.2
0.1
0
LT < 0.33
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Rendimento elettrico
Figura 3.3.3 - posizionamento delle MTG rispetto alla normativa sulla cogenerazione in Italia (ipotesi:
utilizzo del calore in ambito civile, connessione in MT, alimentazione a GN)
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
La microturbina a gas si presta all’impiego cogenerativo, in quanto i gas di scarico uscenti
dal recuperatore alla pressione ambiente possiedono ancora una temperatura elevata,
tipicamente dell’ordine di 250÷300°C; dunque questo contenuto termico nei fumi può
essere ulteriormente recuperato con uno scambiatore.
Negli impianti cogenerativi basati su microturbina a gas, i fumi vengono tipicamente
sfruttati raffreddandoli fino a temperature prossime (o anche inferiori) a 100 °C per
produrre acqua calda a temperature massime in genere di 70÷90°C. In particolare i fumi
vengono convogliati in uno scambiatore di calore gas-acqua, del tipo a piastra tubiera,
dove si ha il riscaldamento di acqua, fluente nel circuito esterno.
Gli impianti cogenerativi a MTG hanno prestazioni cogenerative elevate, in quanto il
rendimento termico, quando si effettua il pieno recupero termico, è dell’ordine di 45÷55%
e dunque il coefficiente di utilizzazione del combustibile (considerando la somma delle
energie elettrica e termica prodotte) può arrivare a 80÷90%. Il rapporto elettricità/calore è
mediamente pari a 0.55÷0.70: una MTG da 100 kW elettrici può produrre fino a 170÷200
kW termici.
L’IRE ottenibile in condizioni di pieno recupero termico (IRE calcolato in base alla
normativa vigente 42/02 e successivi aggiornamenti) è tipicamente positivo e dell’ordine di
0.12÷0.30 (maggiori di 0.10, valore limite minimo previsto dalla delibera AEEG 296/05) a
seconda dei modelli disponibili sul mercato, mentre il limite termico LT stabilito dalla
medesima normativa assume valori a pieno carico termico tipicamente nell’intorno di
0.5÷0.6 (maggiori di 0.33, valore limite previsto dalla delibera AEEG 296/05).
La figura 3.3.3 mostra che le MTG esistenti, in media, soddisfano la normativa vigente in
Italia sulla cogenerazione se la potenza termica erogata è almeno pari al 75% della potenza
termica massima e la potenza elettrica è pari a quella nominale.
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Ovviamente a seconda delle esigenze delle utenze termiche il calore può essere recuperato
in quantità variabile e con temperatura dell’acqua d’ingresso diverse. La figura 3.3.4
evidenzia la quantità d’acqua calda producibile per unità di portata in massa di fumi nel
caso di una generica microturbina, al variare della temperatura esterna dell’acqua di
alimento ed al variare della potenza termica recuperata. Il grafico è ottenuto supponendo
di utilizzare una tipica MTG con i fumi a 270°C e supponendo di voler produrre acqua a
90°C. La temperatura dei fumi all’uscita dallo scambiatore di recupero deve essere
limitata, per problemi di condense acide, se si impiegano combustibili liquidi; nel caso di
impiego di gas naturale come combustibile i fumi allo scarico possono essere raffreddati
fino a temperature decisamente più basse dell’ordine di poche decine di gradi Celsius.
portata d'acqua / portata fumi
2.5
P / P = 1.6
th
T gas = 270°C
T H2O out= 90°C
2.0
el
1.2
1.5
0.8
Tgas out = 75°C
125°C
1.0
0.65
175°C
190°C
0.50
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperatura d'ingresso acqua [°C]
Figura 3.3.4
Combustibili impiegabili
Il principale combustibile per l’alimentazione delle microturbine è il gas naturale; tuttavia
diversi costruttori forniscono anche varianti di progetto appositamente studiate per
l’alimentazione di diversi combustibili: gas naturale, gpl, biogas, diesel, propano,
kerosene. Tali soluzioni sono dunque attualmente disponibili sul mercato. Ad esempio la
Capstone fornisce i suoi modelli C30, C65 e C200 in una doppia versione, una prima con
alimentazione a gas naturale o gpl ed una seconda con alimentazione a biogas (da
discarica o da digestore). Nel caso di alimentazione da biogas il combustibile deve avere
un potere calorifico inferiore definito entro un range variabile da macchina a macchina ed
un contenuto di idrogeno solforato inferiore a 400 ppm. Le emissioni garantite non variano
rispetto al caso di alimentazione a gas naturale nel caso della C30 e sono circa il doppio nel
caso della C65.
Per la messa in esercizio della microturbine è necessaria la connessione alla rete di
approvvigionamento del combustibile, in particolare a quella del gas naturale nella
maggioranza delle applicazioni. Il sistema di alimentazione del gas deve garantire una
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pressione d’ingresso del combustibile in camera di combustione adeguata, cioè superiore
alle pressioni di esercizio della microturbina generalmente di circa 2 bar al massimo: dati i
rapporti di compressione caratteristici delle MTG (variabili tra 3.5 e 4.5, si veda la tabella
3.3.1), è tipicamente richiesta una pressione di alimentazione del gas di circa 5÷7 bar.
Pertanto, se la rete di distribuzione del gas non garantisce questi livelli nel punto di
prelievo, è necessario un compressore per il gas. Alcuni modelli in commercio sono
direttamente dotati del compressore integrato nel package della macchina, mentre nei casi
in cui il fuel-booster non sia integrato, bisogna considerare una riduzione di prestazioni
della MTG (riduzioni percentuali di circa il 3-5% della potenza elettrica e di circa 1-2 punti
percentuali di rendimento a seconda del dimensionamento del compressore).
Nel caso di alimentazione della turbina con biogas, dati i valori del potere calorifico (900017000 kJ/kg), nettamente inferiori a quelli del gas naturale, le portate di gas richieste a
parità di potenza sono superiori: questo fatto richiede in genere una modifica del sistema
di iniezione del combustibile in camera di combustione. Inoltre, come nel caso dei motori a
combustione interna, l’adozione del biogas come combustibile richiede un sistema di
cattura dello zolfo, che può avvenire con appositi filtri, sebbene le MTG siano più
tolleranti alla presenza di H2S rispetto ai MCI; un aumento di emissioni di ossidi di zolfo
allo scarico e problemi di corrosione possono eventualmente verificarsi per la non
completa eliminazione di questo composto presente nel biogas.
Modalità di connessione e di esercizio
La microturbina può essere installata in configurazione “stand-alone”, cioè per alimentare
utenze completamente isolate dalla rete elettrica o in modalità “grid-connected”, cioè
prevedendo la connessione anche alla rete esterna delle utenze.
La connessione della MTG è in BT o MT a seconda delle utenze alimentate.
L’esercizio di una MTG può essere continuo o “on demand”, cioè ad esempio per
soddisfare utenze saltuarie.
La microturbina, è dotata di una elevata flessibilità di funzionamento derivante dalla
presenza dell’interfaccia elettronica di potenza che gestisce regimi diversi di rotazione.
Una MTG può infatti operare secondo le seguenti modalità:
− in modalità “termico segue”, cioè inseguendo la richiesta termica dell’utenza; il
carico elettrico varierà di conseguenza;
− in modalità “elettrico segue”, cioè adattandosi alla richiesta elettrica; il carico
termico in tal caso varierà di conseguenza;
− in condizioni di “by-pass”, parziale o totale, cioè deviando una parte dei fumi
direttamente verso lo scarico e non verso lo scambiatore di recupero al fine di
limitare la potenza termica prodotta.
Un vantaggio della microturbina in assetto cogenerativo rispetto ad altri sistemi
cogenerativi è costituito dal fatto che, data la modalità di effettuazione del recupero a valle
del generatore elettrico, il recupero termico non inficia le prestazioni elettriche del sistema:
la potenza termica generata può essere variata (tra il suo massimo e zero) in base alle
richieste, senza condizionare il rendimento elettrico della generazione di energia elettrica.
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94
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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% del valore a pieno carico
La microturbina è adatta a funzionare a carico ridotto solo entro certi limiti: come
evidenziato in figura 3.3.5, che si riferisce ad una tipica macchina da 100 kW, il rendimento
elettrico si mantiene abbastanza regolare solo fino al 60% del carico, mentre al di sotto di
tale valore si assisterebbe ad un crollo di prestazioni, per cui si evita il funzionamento in
tale zona.
Le MTG sono infine sensibili alle condizioni ambiente ed in particolare alla temperatura
dell’aria esterna: all’aumentare della temperatura, a causa della minore densità dell’aria in
aspirazione, si ha un decremento della potenza utile elettrica e, in misura meno marcata,
del rendimento. Tale effetto è messo in luce in figura 3.3.6, per il caso di una MTG
Capstone; la sensibilità delle prestazioni alla temperatura dipende da macchina a
macchina (ogni costruttore fornisce la specifica curva di derating ambientale) ma il trend è
generalizzabile. Nel caso della microturbina le cui curve sono riportate in figura,
l’incremento di potenza a bassa temperatura è limitata dalle caratteristiche degli ausiliari
di condizionamento elettrico della potenza, che sono dimensionati per un assegnato carico
massimo, pari alla potenza nominale.
105
Rendimentio termico
100
95
Rendimentio elettrico
90
85
50
60
70
80
90
100
110
Carico elettrico %
Figura 3.3.5 –rendimento elettrico e termico in funzione del carico per una tipica MTG (valori normalizzati
rispetto al valore di progetto )
________________________________________________________________________________
95
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35
100
30
90
80
25
70
20
Rendimentio elettrico %
Carico %
110
60
50
15
-40
-20
0
20
40
60
Temperatura ambiente [°C]
Figura 3.3.5 - andamento del carico e del rendimento al variare della temperatura ambiente (per la
microturbina Capstone C30)
Costi di impianto
Sulla base dei prezzi indicati dai costruttori, il costo di una microturbina si colloca
tipicamente nell’intervallo di valori 1000÷1500 €/kW.
Affidabilità e costi di manutenzione
Le microturbine sono generalmente garantite per un funzionamento di circa 6000÷8000 h
annue, dato variabile da costruttore a costruttore (con fattori di utilizzo pari al 70÷90%). È
generalmente necessario un solo ciclo di manutenzione ordinaria annua. Nel caso di
macchine lubrificate ad olio viene richiesta la sostituzione dell’olio, con consumi
dell’ordine di 3 l/anno per una macchina da 100 kW (Turbec TA100). Nel solo caso delle
macchine del costruttore Capstone la lubrificazione delle parti rotanti è effettuata ad aria,
quindi non è richiesto alcun olio lubrificante; tuttavia è comunque indicato un ciclo di
manutenzione ordinaria delle macchine ogni 8000 h.
La durata della vita delle microturbine è garantita per circa 60000 ÷ 80000 ore (dati Turbec,
Ingersoll Rand), ma alcune parti tra cui il combustore richiedono la sostituzione ogni
30000 ore (manutenzione straordinaria, dato Turbec).
Altro componente delicato e soggetto a stress termici notevoli è lo scambiatorerecuperatore, che è investito dai gas ancora caldi uscenti dalla turbina. In genere è questo
componente che determina la vita utile complessiva della macchina.
Alcune MTG sono equipaggiabili a richiesta con sistemi di monitoraggio in linea e tele
diagnostica (remote dispatch/monitoring), per determinare le condizioni di esercizio e
segnalare a distanza le eventuali anomalie; in tutti i casi esiste un sistema elettronico di
controllo del carico e di protezione automatica.
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Livello di diffusione e previsioni di mercato
Le microturbine, entrate sul mercato ormai da una decina di anni, sono attualmente
impiegate in alcune istallazioni in Italia, in Europa e nel mondo: la Turbec ad esempio
afferma di avere installato circa un centinaio di macchine per un totale di 850000 ore
accumulate di funzionamento: le installazioni principali hanno fin’ora riguardato sistemi
per la cogenerazione in ambito civile (hotel, aeroporti, università, piscine, centri ricerca,
ospedali).
Esempio di realizzazione
CDC – Cooperativa di Costruzioni (MO)
‐
tipo di impianto: microturbina in assetto trigenerativo;
‐
combustibile utilizzato: gas naturale;
‐
microturbine installate: 2 macchine Capstone C65;
‐
Potenza elettrica installata: 130 kWe; connessione alla rete elettrica in bassa tensione;
‐
Caldaia integrativa per il frigorifero ad assorbimento: 350 kW frigoriferi, EER = 0.67;
‐
Fabbisogno (stimato) energia elettrica: 300 MWh/anno; fabbisogno termico (stimato):
350 MWh/anno; fabbisogno frigorifero (stimato): 340 MWh/anno;
‐
Produzione termica: acqua calda per riscaldamento ambienti ed acqua calda
sanitaria;
‐
Previsto surplus di energia elettrica immessa in rete pari a circa la metà dell’intera
produzione elettrica.
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3.4 Impianti con turbine a vapore
Descrizione dell’impianto e componenti fondamentali
Un impianto con turbina a vapore è fondamentalmente composto da (i) una pompa
necessaria a portare l’acqua alla pressione di vaporizzazione (alcune decine di bar), (ii) un
generatore di vapore nel quale il processo di combustione riscalda l’acqua, la vaporizza e
surriscalda il vapore, (iii) una turbina nella quale avviene l’espansione del vapore fino a
pressioni di decimi di bar ed (iv) un condensatore che riporta il fluido uscente dalla
turbina dallo stato di vapore a quello di liquido saturo. I cicli termodinamici di riferimento
sono il ciclo Rankine (a vapore saturo) o quello di Hirn (a vapore surriscaldato).
Dell’impianto a vapore base ora descritto esistono due varianti utilizzate per impieghi
cogenerativi: l’impianto a contropressione e l’impianto a spillamento e condensazione.
Nell’impianto a vapore a contropressione, illustrato in Fig. 3.4.1 (a), tutto il vapore che
espande in turbina viene poi utilizzato per il processo che espleta la funzione del
condensatore. Il rendimento elettrico risulta penalizzato dall’innalzamento della pressione
di condensazione dovuto all’utilizzo del vapore uscente dalla turbina come vapore di
processo. Le turbine a contropressione sono largamente utilizzate in applicazioni di
processo, si trovano in raffinerie, cartiere, impianti di dissalazione e altri impianti in cui
sono necessarie elevate quantità di vapore.
L’impianto a vapore a spillamento e condensazione, illustrato in Fig. 3.4.1 (b), utilizza
come vapore di processo una corrente di vapore appositamente spillata alla pressione
opportuna, mentre il restante vapore può espandere fino alla pressione del condensatore
dove viene condensato. Le due correnti si ricongiungono in ingresso al generatore di
vapore. Il rendimento del ciclo termodinamico non è troppo penalizzato rispetto all’assetto
non cogenerativo, in quanto la condensazione viene effettuata a pressioni sufficientemente
basse. La potenza elettrica globale risulta comunque diminuita, rispetto all’impianto non
cogenerativo, in quanto parte del vapore non completa l’espansione in turbina. Le turbine
a spillamento e condensazione sono generalmente utilizzate nelle centrali termoelettriche
o negli impianti nei quali non c’è un’utenza termica regolare.
TV
~
HP
UTENZA
TERMICA
(a)
LP
~
UTENZA
TERMICA
(b)
Fig. 3.4.1 – Schemi dell’impianto a contropressione (a sinistra)
e dell’impianto a spillamento e condensazione (a destra)
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Principali costruttori e modelli sul mercato
Tra i principali costruttori di impianti a vapore di taglia elettrica inferiore ai 10 MW
possono essere annoverati:
• Dresser-Rand;
• Elliott;
• Fincantieri;
• MAN Turbo
• Siemens Energy.
I dati di targa dei modelli commercializzati da queste aziende sono riportati in Tab. 3.4.1
Tab. 3.4.1
modello
Pe
pITV
TITV
pUTV
velocità
[kWe]
[bar]
[°C]
[bar]
[rpm]
746
46
440
11
4300
stadio
tipo
singolo
contropressione
Dresser-Rand
RLA-23E
Dresser-Rand
RLVA-23E
746
48
440
11
4300
singolo
contropressione
Dresser-Rand
RLHA 15
335
41
400
7
6000
singolo
contropressione
Dresser-Rand
RLHA 24
1865
62
510
20
6300
singolo
contropressione
Dresser-Rand
SST 500
2600
48
440
10
8000
singolo
contropressione
Dresser-Rand
SST 700
2600
48
440
5
6150
singolo
contropressione
Dresser-Rand
C5 Direct Drive
2500
109
510
21
8200
singolo
contropressione
Dresser-Rand
C5S-GIV
2350
109
510
21
3775
singolo
contropressione
Dresser-Rand
C5S-GV
2500
109
510
21
3500
singolo
contropressione
Dresser-Rand
C7 Direct Drive
1950
32
350
21
6000
singolo
contropressione
Dresser-Rand
C7S-GIV
1173
32
350
21
1563
singolo
contropressione
Dresser-Rand
Z-24ZSA-1
670
54
440
12
5500
singolo
contropressione
Dresser-Rand
GSA-2
2500
62
460
17
7200
singolo
contropressione
Dresser-Rand
RLA-23E
746
46
440
11
4300
singolo
contropressione
Dresser-Rand
AVT
3000
65
565
34
13000
singolo
contropressione
Dresser-Rand
TW
185
62
540
20
6500
singolo
contropressione
Dresser-Rand
2TA
3500
125
540
31
14500
singolo
contropressione
Dresser-Rand
GAF
4000
54
440
5
8315
multi
contropressione
Dresser-Rand
B
6055
60
490
12
9500
multi
contropressione
Dresser-Rand
K
4850
28
412
5
10000
multi
contropressione
Dresser-Rand
U
6000
45
454
14
10000
multi
contropressione
Dresser-Rand
S
5200
48
440
20
8000
multi
contropressione
Elliott
PYR
5000
singolo
Elliott
Class IV BYR
Elliott
B-Line
Fincantieri
MS-VS
4000
60
475
0,1 – 0,2
11000
Fincantieri
36 C
8000
110
500
0,1 – 0,2
10000
condensazione
Fincantieri
MS-VS
4000
50
475
15
12000
contropressione
Fincantieri
36 B
8000
110
510
15
13000
contropressione
Fincantieri
45 B
8000
70
510
35
11000
contropressione
Fincantieri
THR 1500
1200
48
440
3.4
9000
contropressione
fino 150
fino 399
fino a
16000
fino a
16000
multi
condensazione
________________________________________________________________________________
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Fincantieri
THR 3000
2200
16
250
0.2
6700
condensazione
Fincantieri
TVR 1500
1100
61
510
0.35
10000
condensazione
Fincantieri
TVR 3000
2200
61
510
0.35
8000
condensazione
Fincantieri
TVR 6000
4400
61
510
0.35
8000
condensazione
fino a
15000
fino a
15000
fino a
12000
fino a
12000
MAN Turbo
MARC 1 – C
fino a 3000
30
480
MAN Turbo
MARC 1 – B
fino a 3000
30
480
MAN Turbo
MARC 2 – C
90
520
MAN Turbo
MARC 2 – B
90
520
Siemens
BF 3-5
45
101
500
1-8
4500
Siemens
BF 4/80
250
46
500
1-11
4500
Siemens
BF 4/125
300
26
430
1-11
4500
Siemens
AF 3,5 GS
300
101
500
1-17
11000
Siemens
AF 4 GS
750
101
500
1-17
10500
Siemens
AFA 3-5
600
101
500
1-17
13600
Siemens
AFA 4
2200
131
530
0,08 - 25
18000
Siemens
AFA 6
6000
41
450
0,08 - 11
11400
Siemens
CFA 4
1600
41
450
1-17
10500
Siemens
AFA
4000
130
300
26
contropressione
Siemens
CFR
4000
65
300
20
contropressione
fino a
12000
fino a
12000
7500
condensazione
contropressione
condensazione
contropressione
Siemens
SST-100
8500
65
480
10
Siemens
SST-200
10000
110
520
16
contropressione
contropressione
Siemens
SST-100
8500
65
480
1
condensazione
Siemens
SST-200
10000
110
520
0.25
condensazione
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Gli impianti a vapore hanno un rendimento elettrico in assetto cogenerativo che si attesta
nel range 15-30 % e un rendimento termico che può arrivare al 60 %. Il coefficiente di
utilizzo del combustibile può arrivare fino al 90 %, con una forte preponderanza
dell’energia termica prodotta.
L’energia termica è messa a disposizione sotto forma di vapore a pressioni dell’ordine di
decine di bar. Il vapore può essere utilizzato direttamente o come vettore energetico
intermedio.
Per poter funzionare correttamente questi tipi di impianti necessitano di acqua
demineralizzata al fine di evitare incrostazioni in caldaia, sono utilizzati quindi
condensatori a superficie per evitare la contaminazione dell’acqua demineralizzata.
Combustibili impiegabili
E’ possibile impiegare qualsiasi tipo di combustibile dotandosi dell’apposito generatore di
vapore. Anche le emissioni, di conseguenza, dipendono, sia nella qualità sia nella quantità,
dalla tipologia di combustibile che viene utilizzato e dalla tecnologia di combustione.
L’elevato costo di questi impianti e il basso indice elettrico li rende adatti ad applicazioni
in ciclo combinato, generando il vapore mediante recupero termico da un motore primario
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100
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(motori endotermici alternativi o turbine a gas), o ad applicazioni con combustibili solidi
(non utilizzabili in turbine a gas o motori a combustione interna).
Modalità di connessione e di esercizio
Per l’avviamento di una turbina a vapore è necessario un viratore, che mantiene in
rotazione l’albero sul quale è montata la turbina. A viratore avviato, la turbina è scaldata
da un flusso di vapore surriscaldato che proviene dalla caldaia ed è introdotto in macchina
mediante un by-pass delle valvole di intercettazione principali. Questa procedura consente
un riscaldamento graduale ed uniforme della macchina. Successivamente le valvole sono
aperte ed il vapore addotto con portate più elevate fa aumentare la velocità della macchina
e consente il distacco del viratore.
L’impianto a vapore a contropressione (Fig. 3.4.1 (a)) fa si che non vi possa essere
regolazione disgiunta dell’erogazione di potenza elettrica e termica (Fig. 3.4.2 (a)), in
quanto l’unico grado di libertà è la portata di vapore che è direttamente proporzionale sia
alla potenza elettrica sia a quella termica.
L’impianto a vapore a spillamento e condensazione (Fig. 3.4.1 (b)) permette invece una
regolazione disgiunta della potenza termica ed elettrica (ridurre od aumentare il carico
termico indipendentemente da quello elettrico) poiché la presenza delle due valvole (la
valvola a monte della turbina di alta pressione HP e la valvola di bypass tra le due turbine)
fa sì che i gradi di libertà del sistema siano due. La regolazione è descritta in Fig. 3.4.2 (b).
La linea con pendenza positiva è quella corrispondente alle condizioni con valvola di bypass completamente aperta (massima portata di vapore che attraversa la turbina).
Regolando la portata di vapore mediante la valvola di ammissione della turbina di alta
pressione ci si muove lungo essa. La linea con pendenza negativa è quella corrispondente
alla massima portata di vapore circolante nell’impianto (valvola di ammissione della
turbina di alta pressione completamente aperta). Regolando la portata che attraversa la
turbina di media-bassa pressione mediante valvola di by-pass, ci si muove lungo essa. La
valvola di by-pass non può essere mai completamente chiusa in quanto la turbina a vapore
in assenza totale di portata si riscalda progressivamente per effetto ventilante (dovuto
all’attrito sulle superfici degli organi rotanti) e può raggiungere il collasso per
raggiungimento dei limiti di resistenza in temperatura. Per questo motivo deve essere
assicurato un flusso di massa minimo prossimo al 10% di quello totale.
Per la conduzione del generatore di vapore, in funzione della taglia d’impianto e della
pressione del vapore prodotto, è generalmente richiesta la presenza di un conduttore
patentato. Prevedendo l’impiego di cinque conduttori patentati, questo comporta un costo
aggiuntivo di circa 250000 €/anno.
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(a)
(b)
Fig. 3.4.2 – Regolazione dell’impianto a contropressione (a sinistra)
e dell’impianto a spillamento e condensazione (a destra)
Affidabilità e costi di impianto
La tecnologia delle turbine a vapore è considerata matura e le avarie sono piuttosto rare.
La presenza accidentale ed eccessiva di acqua nel vapore provoca erosione precoce delle
pale, a causa dell’impatto ad elevata velocità. Questo può causare sbilanciamenti, e quindi
eccessive vibrazioni del rotore, che possono avere conseguenze anche sui cuscinetti
reggispinta.
I costi di impianto si possono stimare in 1700-2000 € per ogni kW installato per le turbine a
contropressione ed in 1800-2200 € per ogni kW installato per le turbine a spillamento e
condensazione.
Esempi di realizzazioni
Econoler S.A.
Econoler S.A. con sede in Spagna, ha installato una turbina a vapore a condensazione in
un impianto alimentato dagli scarti delle olive, vicino a Cordoba. Il generatore da 8 MW
comprende una turbina a vapore multistadio, un riduttore, un generatore, un sistema
integrato di lubrificazione, un condensatore ad acqua ed un sistema di controllo. La
turbina è usata per rifornire l’impianto del vapore necessario al processo e l’elettricità
generata è venduta al gestore nazionale Spagnolo.
Cartiere BURGO
Cartiere BURGO nello stabilimento di Chiampo (VI) ha installato un impianto
cogenerativo con una turbina a vapore a contropressione della potenza elettrica di 3 MW
che può produrre 15 t/h di vapore surriscaldato alla pressione di 60 bar che viene poi
mandato alle utenze termiche alla pressione di 2.5 bar. Sempre Cartiere BURGO, ma nello
stabilimento di Villaorba (UD) ha installato un gruppo cogenerativo con turbina a vapore
a condensazione della potenza elettrica di 7.7 MW (il vapore viene spillato a circa 4 bar).
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3.5 Cicli Rankine a fluido organico (ORC)
Descrizione dell’impianto e componenti fondamentali
Gli impianti basati sul ciclo Rankine a fluido organico (quali per esempio idrocarburi,
HCFC, polisilossani) sono sistemi che permettono la produzione contemporanea di
energia elettrica e termica messa a disposizione sotto forma di acqua alla temperatura di
60 – 90 °C. Il ciclo ORC è simile a quello utilizzato da una tradizionale turbina a vapore
(par. 3.4), eccetto per il fluido di lavoro che, in questo caso, è un fluido organico con
elevata massa molecolare.
L’impianto ORC, schematizzato in Fig. 3.5.1-3.5.2, è sostanzialmente composto da una
pompa, una turbina e alcuni scambiatori di calore. Il fluido di lavoro organico viene
vaporizzato mediante lʹutilizzazione di una sorgente di calore nellʹevaporatore. Il vapore
del fluido organico si espande nella turbina, attraversa un rigeneratore e viene quindi
condensato utilizzando un flusso di acqua in uno scambiatore di calore. Il liquido
condensato viene pompato nel rigeneratore dove viene preriscaldato dal fluido uscente
dalla turbina e poi nellʹevaporatore chiudendo il ciclo. L’utilizzo del rigeneratore non è
strettamente necessario, ma permette un aumento del rendimento dell’impianto.
Generalmente questi impianti sono impiegati per la produzione di energia da biomassa
solida o utilizzano calore di risulta di processi industriali o di recupero da motori primi. Il
vettore energetico utilizzato per la vaporizzazione del fluido organico è in genere olio
diatermico (olio minerale, o sintetico per temperature oltre i 300°C) o acqua, mentre per la
condensazione è utilizzata acqua. L’utilizzo di olio diatermico consente inoltre di evitare
l’impiego di caldaie ad alta pressione.
Il fluido di lavoro, come detto precedente, è un composto organico (o una miscela)
caratterizzata da alto peso molecolare: ciò permette di ridurre la velocità di rotazione
dell’espansore e una connessione diretta al generatore.
Fig. 3.5.1 – Schema dell’impianto ORC
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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1 – Rigeneratore
2 – Condensatore
3 – Turbina
4 – Generatore elettrico
5 – Pompa
9 – Uscita acqua calda
6 – Pre-riscadatore
10 – Ingresso olio
7 – Evaporatore
11 – Uscita olio
8 – Ingresso acqua calda
Fig. 3.5.2 – Modulo ORC (Turboden)
Altra caratteristica peculiare dei fluidi impiegati nei cicli ORC è quella di essere “fluidi
secchi” cioè caratterizzati da una pendenza positiva della curva del vapore saturo (Fig.
3.5.3). Questo permette di avere un vapore surriscaldato a fine espansione anche partendo
dalla curva del vapore saturo, con il vantaggio di assenza di condensa in turbina e la
conseguente preservazione delle parti a contatto con il fluido dalla erosione.
Fig. 3.5.3 – Diagramma T-s di un fluido secco
La scelta del fluido organico da impiegare, per ottimizzare il rendimento del ciclo
termodinamico, è effettuata in funzione della temperatura della sorgente termica a
disposizione. Per lo stesso motivo, la turbina è generalmente progettata con riguardo al
fluido elaborato.
Principali costruttori e modelli sul mercato
I principali produttori mondiali di impianti ORC sono
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104
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
•
•
•
•
Infinite Turbine, società con sede in Wisconsin (USA), sito internet
http://www.infinityturbine.com/;
Ormat, società con sede in Nevada (USA), sito internet http://www.ormat.com/.
Turboden, società attiva dal 1980 con sede a Brescia (Italia), sito internet
http://www.turboden.it/;
UTC Power, controllata della United Technologies Company con sede in
Connecticut (USA), sito internet http://www.utcpower.com/.
Infinite Turbine
Infinite Turbine offre una gamma di modelli a partire da una potenza elettrica di 30 kW
fino a 500 kW (Tab. 3.5.1). In questo tipo di impianto il fluido vettore è acqua (non olio
diatermico) con una temperatura in ingresso nell’evaporatore di 70-110 °C. Viste le basse
temperature in gioco, per applicazioni CHP il fluido utilizzato, oltre all’acqua di
condensazione, è il flusso in uscita dall’evaporatore (ad una temperatura di circa 65 °C).
Tab. 3.5.1
Modello
Pe
[kWe]
Pt
[kWt]
Portata acqua
[l/min]
IT 30
IT 80
IT 250
IT 500
30
80
250
500
263
702
2195
4390
227
606
1893
3785
Fig. 3.5.4 – Unità Infinite Turbine IT 80
Ormat
Ormat è leader mondiale nel campo degli impianti per lo sfruttamento dell’energia
geotermica. Offre soluzioni basate su cicli ORC per applicazioni geotermiche (Fig. 3.5.5),
ma anche per il recupero termico e per la generazione da combustibile (Fig. 3.5.6). Il
progetto dei sistemi, sia per applicazioni geotermiche sia per il recupero termico (che
possono però essere accoppiati anche ad una caldaia dedicata), viene fatto su specifica. Le
taglie dei singoli moduli ORC vanno dai 250 kWe ai 20 MWe.
Ormat commercializza anche sistemi ORC per la generazione di energia elettrica in siti
isolati alimentati a gas naturale, GPL, kerosene e gasolio con taglie da 0.2 a 4.5 kWe.
Fig. 3.5.5 – Schema di impianto ORC per lo
sfruttamento dell’energia geotermica
Fig. 3.5.6 – Schema di impianto ORC per il recupero
termico e per la generazione da combustibile
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105
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Turboden
I dati fondamentali dei moduli ORC in commercio desunti dal catalogo Turboden sono
riportati in Tab. 3.5.2, per quanto riguarda gli impianti destinati ad essere alimentati da
una caldaia a biomasse, ed in Tab. 3.5.3 per quanto riguarda gli impianti destinati al
recupero termico. Le unità vengono fornite in un package generalmente detto
turbogeneratore, illustrato nelle figure 3.5.2 e 3.5.7. Il turbogeneratore è dotato delle
seguenti interfacce: (a) flangia ingresso/uscita olio diatermico; (b) flange ingresso e uscita
acqua raffreddamento; (c) flangia di collegamento circuito di preriscaldamento
turbogeneratore (solo per T500, T600, T1100); (d) morsetti di potenza di bassa tensione e
interruttore di parallelo in accordo allo schema unifilare allegato; (e) morsetti di
interscambio segnali nel quadro di controllo per interfaccia con lʹimpianto esterno; (f) skid
di supporto; (g) collegamenti aria compressa; (h) flangia uscita sistema supervisione
perdite e (i) flange per scarico all’esterno della valvola di sicurezza. A richiesta Turboden
può provvedere al progetto dell’intero sistema energetico (comprensivo della caldaia) e
delle opere ausiliare all’impianto.
Fig. 3.5.7 – Modulo ORC Turboden T600-CHP pronta per il trasporto
Tab. 3.5.2 – Moduli ORC Turboden per impianti destinati ad essere alimentati da caldaia a biomasse
T200-CHP
Sorgente di
calore
Temperatura
olio diatermico
(in/out)
Portata olio
Potenza ceduta
dallʹolio
Temperatura
acqua (in/out)
Portata acqua
Potenza termica
allʹacqua
Potenza elettrica
attiva netta
Generatore
elettrico
T500-CHP
T600-CHP
T800-CHP
T1100-CHP
T1500-CHP
T2000-CHP
Olio diatermico (circuito chiuso)
300/250 °C
300/250 °C
300/250 °C
300/250 °C
300/250 °C
300/250 °C
310/250 °C
9.5 kg/s
23.4 kg/s
28.3 kg/s
38 kg/s
49 kg/s
74 kg/s
75.4 kg/s
1200 kW
2900 kW
3500 kW
4600 kW
6000 kW
8800 kW
11700 kW
60/80 °C
60/80 °C
60/80 °C
60/80 °C
60/80 °C
60/80 °C
65/95 °C
11.6 kg/s
27.7 kg/s
33.5 kg/s
43.6 kg/s
57.0 kg/s
56.4 kg/s
80.0 kg/s
975 kW
2325 kW
2810 kW
3655 kW
4775 kW
7105 kW
9490 kW
200 kW
520 kW
625 kW
860 kW
1115 kW
1540 kW
2000 kW
Sincrono
asincrono,
trifase, B.T.,
asincrono,
trifase, B.T.,
asincrono,
trifase, B.T.,
asincrono,
trifase, B.T.,
asincrono,
trifase, B.T.,
asincrono,
trifase, B.T.,
________________________________________________________________________________
106
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
580 kW
710 kW
950 kW
1250 kW
1800 kW
2300 kW
Tab. 3.5.3 – Moduli ORC Turboden per impianti destinati destinati al recupero termico
T500-HR
Sorgente di calore
Temperatura olio
diatermico
(in/out)
Portata olio
Potenza ceduta
dallʹolio
Temperatura
acqua (in/out)
Portata acqua
Potenza termica
allʹacqua
Potenza elettrica
attiva netta
Generatore
elettrico
T600-HR
T800-HR
T1100-HR
T1500-HR
T2000-HR
Olio diatermico (circuito chiuso)
270/150 °C
270/150 °C
270/150 °C
280/150 °C
280/150 °C
290/150 °C
10.5 kg/s
12.6 kg/s
17.2 kg/s
21.6 kg/s
29.5 kg/s
35.2 kg/s
2750 kW
3300 kW
4500 kW
6200 kW
8500 kW
11000 kW
25/35 °C
25/35 °C
25/35 °C
25/38 °C
25/40 °C
25/43 °C
52.0 kg/s
57.1 kg/s
85.6 kg/s
91.2 kg/s
108.4 kg/s
116.8 kg/s
2185 kW
2630 kW
3580 kW
4945 kW
6759 kW
8775 kW
510 kW
610 kW
840 kW
1145 kW
1575 kW
2040 kW
asincrono,
trifase,
B.T.
asincrono,
trifase, B.T.
asincrono,
trifase, B.T.
asincrono,
trifase, B.T.
asincrono,
trifase, B.T.
asincrono,
trifase, B.T.
UTC Power
UTC Power commercializza un unico impianto denominato PureCycleTM sviluppato
principalmente per applicazioni geotermiche, anch’esso utilizza acqua come sorgente
termica. L’acqua deve avere una temperatura minima di 91 °C per consentire all’impianto
di funzionare. La potenza elettrica erogata può arrivare a 280 kW.
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Le prestazioni dipendono come detto precedentemente dalla temperatura della sorgente
termica e dal fluido utilizzato. I moduli ORC attualmente in commercio hanno una taglia
di 30-1500 kW e consentono di ottenere una efficienza elettrica attorno al 18-20 % e un
rendimento termico del 75-80 %.
L’energia termica è messa a disposizione dell’utilizzatore sotto forma di acqua alla
temperatura di 60-90 °C
Le figure 3.5.8 e 3.5.9 riportano rispettivamente i valori di rendimento elettrico e termico
dei moduli ORC Turboden di taglia inferiore a 1 MWe e superiore a 1 MWe. Inoltre sono
riportati i limiti individuati dalla delibera 42/02 dell’AEEG e successive modifiche. Le
curve limite dell’IRE sono ottenute sotto le seguenti ipotesi: alimentazione a biomassa,
connessione in bassa tensione nel caso di autoconsumo, e in media tensione nel caso di
immissione in rete dell’E.E. prodotta, utilizzo dell’energia termica sia in ambito industriale
e sia civile.
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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1.0
E.E. autoconsumata (BT),
impiego industriale del calore
E.E. immessa in rete (MT),
impiego industriale del calore
E.E. autoconsumata (BT),
impiego civile del calore
E.E. immessa in rete (MT),
impiego civile del calore
ORC Pe < 1 MW, comb.:
biomassa
0.9
Rendimento termico
0.8
IRE = 0.10
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
LT = 0.33
0.2
0.1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
Rendimento elettrico
0.4
0.5
Fig. 3.5.8 – Posizionamento dei moduli ORC Turboden di taglia inferiore a 1 MWe
rispetto alla normativa italiana sulla cogenerazione.
Ipotesi: combustibile biomassa, utilizzo del calore sia in ambito industriale, sia in ambito civile.
1.0
E.E. autoconsumata (BT),
impiego industriale del calore
E.E. immessa in rete (MT),
impiego industriale del calore
E.E. autoconsumata (BT),
impiego civile del calore
E.E. immessa in rete (MT),
impiego civile del calore
ORC 1 < Pe < 10 MW,
comb.: biomassa
0.9
Rendimento termico
0.8
IRE = 0.10
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
LT = 0.33
0.2
0.1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
Rendimento elettrico
0.4
0.5
Fig. 3.5.9 – Posizionamento dei moduli ORC Turboden di taglia superiore a 1 MWe
rispetto alla normativa italiana sulla cogenerazione.
Ipotesi: combustibile biomassa, utilizzo del calore sia in ambito industriale, sia in ambito civile.
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Combustibili impiegabili
I moduli ORC vengono commercializzati in maniera indipendente rispetto alla fonte del
calore che viene loro fornito tramite olio diatermico od acqua. Possono essere quindi
accoppiati a qualsiasi sistema energetico che possa produrre olio diatermico od acqua alla
temperatura di funzionamento del modulo ORC e possa garantire la potenza adeguata.
In genere vengono utilizzate caldaie ad olio diatermico alimentate a biomasse solide, ma la
fonte di calore può essere di tipo geotermico, solare ad alta temperatura o di recupero
rispetto a processi industriali.
Modalità di connessione e di esercizio
Lʹimpiego di un generatore elettrico asincrono semplifica la messa in parallelo e il
funzionamento, ma non consente di far funzionare la macchina su rete isolata. La
connessione avviene su rete a bassa tensione fino ai 100 kWe mentre per potenze superiori
dipende dal distributore.
Il sistema di controllo del turbogeneratore è implementato per mezzo di un controllore a
logica programmabile (PLC) che gestisce i segnali digitali e analogici dellʹimpianto: in
questo modo, lʹoperatore è necessario solo per richiedere la marcia e per verificare
periodicamente lo stato del gruppo (per esempio, livello dellʹolio nel serbatoio della
centralina di lubrificazione).
Se la pressione nellʹevaporatore diminuisce a causa di una diminuzione della potenza
termica disponibile (per esempio, portata o temperatura dellʹolio diatermico al di sotto dei
valori nominali), l’impianto regola automaticamente il carico: A metà carico circa, il
rendimento di conversione diminuisce approssimativamente di un fattore 0.85.
Costi di impianto
I costi del turbogeneratore si possono stimare attorno a 900-1600 €/kW installato. Il costo
specifico cresce con il diminuire della taglia del turbogeneratore. Il costo complessivo di
un impianto, compreso della caldaia, dei collegamenti e delle opere civili, si può stimare in
circa 4 volte il costo del solo turbogeneratore.
Affidabilità e costi di manutenzione
Turboden garantisce che, in presenza di un uso termico sufficiente, gli impianti di
cogenerazione siano in grado di raggiungere anche valori superiori alle 8000 ore/anno di
funzionamento.
I costi di manutenzione del solo modulo ORC si possono stimare in 20 €/kW all’anno, che,
rapportati all’energia producibile, corrispondono a circa 0.003 €/kWh.
Livello di diffusione e previsioni di mercato
Ormat ha installato oltre 1100 MW di impianti ORC per lo sfruttamento dell’energia
geotermica che hanno accumulato milioni di ore di funzionamento. In Fig. 3.5.10 sono
riportate le installazioni Ormat nel mondo, suddivise in impianto ORC per lo sfruttamento
dell’energia geotermica, per il recupero termico e sistemi ORC per la produzione di
energia elettrica in siti isolati.
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Turboden al 31/12/2007 ha installato in Europa 69 unità e altre 33 sono in fase di
costruzione (Fig. 3.5.11).
Impianti ORC per lo sfruttamento dell’energia geotermica
Impianti ORC per il recupero termico
Sistemi ORC per la produzione di energia elettrica in siti isolati
Fig. 3.5.11 – Diffusione impianti ORC Ormat
Fig. 3.5.11 – Diffusione impianti ORC Turboden
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Esempi di realizzazioni
Impianto di cogenerazione a biomasse vergini di Calenzano (FI).
Il progetto (avviato a primavera 2007) prevede l’utilizzo di cippato prodotto da un mix di
tipologie di specie arboree e vegetali di diversa provenienza, quali (i) materiale vegetale
prodotto da coltivazioni dedicate; (ii) materiale vegetale prodotto da trattamento
esclusivamente meccanico di coltivazioni agricole non dedicate; (iii) materiale vegetale
prodotto da interventi selvicolturali, da manutenzione forestale e da potatura; (iv)
materiale vegetale prodotto da trattamento esclusivamente meccanico di legno vergine e
costituito da cortecce, segatura, trucioli, chips, refili e tondelli di legno vergine, granulati e
cascami di legno vergine.
L’impianto prevede la combustione di biomassa di legno vergine per:
produzione di energia elettrica da immettere nella Rete di Trasmissione Nazionale;
recupero di energia termica con produzione di acqua calda per teleriscaldamento
urbano ad uso civile.
La combustione delle biomasse legnose sarà realizzata in un forno a griglia mobile. Il
recupero termico del contenuto entalpico dei fumi di combustione, avverrà in una caldaia
ad olio diatermico: l’olio diatermico, riscaldato alla temperatura di circa 310 °C, viene
inviato all’impianto di produzione di energia elettrica ORC.
L’impianto ha una potenza elettrica di 800 kW mentre la potenza termica immessa nella
rete di teleriscaldamento è di 3.5 MW. Funziona per almeno 255 giorni all’anno e sono
previsti 30 giorni di manutenzione. Il numero di addetti all’impianto è di 4 per gestire la
combustione di circa 10000 t/anno di biomassa vegetale (circa 40 t/giorno)
Impianto di cogenerazione a biomasse di Linz (Austria).
L’impianto di Linz sfrutta la tecnologia ORC per il teleriscaldamento. Tra i primi impianti
della Turboden, è entrato in funzione nel 2001, successivamente ampliato e migliorato nel
2003.
Ha rappresentato una vera e propria svolta: è il primo impianto a livello mondiale da
1000 kWe con alimentazione a biomassa per la produzione cogenerativa di calore ed
energia basato su unità ORC.
L’unità di alimentazione è composta da una caldaia a biomassa per il riscaldamento
dell’olio diatermico con una capacità nominale di 6000 kWt. L’unità ORC ha una capacità
elettrica nominale di 1000 kWe. L’unità di recupero del calore, con una capacità nominale
di 2000 kWt, incrementa l’efficienza complessiva dell’impianto sfruttando i fumi in uscita;
include un primo economizzatore per l’olio diatermico e un secondo economizzatore per
l’acqua inviata alla rete di distribuzione.
L’impianto è alimentato con i prodotti di scarto delle industrie del legno locali (schegge,
segatura, corteccia con contenuto di acqua compreso tra il 30% e il 55%). Il consumo
annuale di biomasse ammonta a circa 100000 m3, con la seguente suddivisione: 90000 m3
schegge e trucioli di legno dalle segherie locali, 10000 m3 residui delle potature.
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Per il teleriscaldamento è utilizzata oltre all’acqua di condensazione dell’unità ORC, una
seconda caldaia a biomassa con capacità 7000 kWt e i pannelli solari. Il tetto dell’impianto
ne è ricoperto; viene raggiunta un estensione di 630 m2 che fornisce una potenza termica di
350 kWt.
Una caldaia ad olio combustibile, con capacità nominale di 11000 kWt, è installata come
sistema di stand-by e per le richieste di picco; essa produce approssimativamente il 4%
dell’intera produzione di energia dell’impianto.
La rete di condotti per il riscaldamento è lunga 37.5 km e connette circa 900 unità,
soddisfando il 70% degli edifici della città di Linz.
Impianto di cogenerazione a biomasse di Tirano (SO).
E’ il primo impianto di cogenerazione (1100 kWe - 4930 kWt) con tecnologia ORC
realizzato in Italia per il teleriscaldamento, è stato realizzato nel 2003. Il funzionamento
avviene in gran parte in controllo termico. Nel periodo invernale la grande richiesta di
calore fa sì che l’impianto lavori a pieno carico per alimentare la rete di distribuzione.
Quando la domanda di calore è minore e nelle ore di maggior valorizzazione dell’energia
elettrica, è possibile operare con modalità di controllo misto. La presenza di
areoraffreddatori permette il funzionamento a pieno carico in regime parzialmente
dissipativo.
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3.6 Micro-cicli Rankine
Descrizione dell’impianto e componenti fondamentali
Sono sistemi energetici cogenerativi basati sullo stesso ciclo termodinamico presentato
nelle due sezioni precedenti. La taglia è dell’ordine del kilowatt e l’ingombro è pari a
quello di un grande elettrodomestico, quale una lavastoviglie o un frigorifero.
I componenti principali sono come nel caso delle macchine di grossa taglia una pompa, un
evaporatore, un espansore e un condensatore.
Nel caso illustrato in Fig. 3.6.1 l’evaporatore è affacciato direttamente alla fiamma e come
espansore viene utilizzato un espansore volumetrico rotativo scroll. Al condensatore arriva
acqua fredda che viene riscaldata ed utilizzata come acqua sanitario o per riscaldamento
degli ambienti. In questo caso il fluido utilizzato è generalmente un fluido organico.
In Fig. 3.6.2 come espansore sono utilizzati due pistoni ed è la stessa condensa del vapore
a fine espansione che viene utilizzata per il riscaldamento domestico. In questo caso il
fluido utilizzato è l’acqua.
Fig. 3.6.2– Schema di un impianto Micro Rankine
con espansore volumetrico alternativo
Fig. 3.6.1 – Schema di un impianto Micro ORC
con espansore volumetrico rotativo scroll
Principali costruttori e modelli sul mercato
Cogen Microsystems
Cogen Microsystems (Australia, http://www.cogenmicro.com/) dovrebbe uscire nel 2010
con due modelli, uno di taglia piccola (2.5 kW elettrici e 11 kW termici) per l’utenza
domestica e uno di taglia maggiore (10 kW elettrici e 44 kW termici) per l’utenza
commerciale.
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Energetix
Energetix Group plc (azienda inglese, http://www.energetixgroup.com/) ha in programma
la commercializzazione del suo modulo denominato Genlec (Fig. 3.6.3) per l’autunno del
2008. Il principio di funzionamento è quello illustrato in Fig. 3.6.1.
Fig. 3.6.3 – Genlec della Energetix Group plc
Ormat
Come detto al capitolo precedente, Ormat (USA, http://www.ormat.com/) commercializza
sistemi ORC per la generazione di energia elettrica in siti isolati, che possono essere
alimentati a gas naturale, GPL, kerosene e gasolio, con taglie da 0.2 a 4.5 kWe (Fig. 3.6.4).
Fig. 3.6.4 – Sistema ORC Ormat per produzione di energia elettrica
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OTAG
OTAG GmbH & CO KG (azienda tedesca, http://www.otag.de/) ha come unico modello
dal 2006 il Lion (Fig. 3.6.5) che può produrre fino a 16 kW termici e 2.1 kW elettrici. Il
principio di funzionamento è quello illustrato in Fig. 3.6.2.
Fig. 3.6.5 – Lion della OTAG GmbH & CO KG
Nei rispettivi siti non sono indicati costi di impianti o di manutenzione, le informazioni
dei modelli descritti sono riassunte in Tab. 3.6.1.
Costruttore, Modello
Cogen Microsystems
Energetix, Genlec
OTAG, Lion
Potenza Elettrica
Tab. 3.6.1
Potenza Termica
2.5 kW
10 kW
1 kW
0.2-3 kW
11 kW
44 kW
10 kW
2-16 kW
Fluido di lavoro
Commercializzazione
acqua
2010
fluido organico
acqua
2008
2006
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
L’energia termica viene messa a disposizione sotto forma di acqua calda. Questi impianti
garantiscono un utilizzo del combustibile attorno al 90 %.
Combustibili impiegabili
Questi impianti sono progettati basandosi sull’architettura delle normali caldaie
domestiche, il combustibile considerato è il gas naturale.
Esistono prototipi funzionanti a biomasse solide.
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3.7 Cicli combinati gas-vapore
I cicli combinati gas-vapore sono sistemi di produzione dell’energia adottati, in genere,
nelle grandi centrali termoelettriche (con taglie di potenza elettrica prodotta fino a 800
MW); tuttavia esistono anche unità di dimensioni molto più limitate (nel range di potenza
elettrica 5÷10 MW), che spesso si prestano ad un impiego cogenerativo.
Descrizione dell’impianto e componenti fondamentali
Il ciclo combinato gas-vapore si compone essenzialmente di una turbina a gas e di un
impianto con turbina a vapore, nel quale la caldaia tradizionale è sostituita da una caldaia
a recupero che produce vapore utilizzando i prodotti della combustione della turbina a
gas. Uno schema concettuale del sistema è riportato in figura 3.7.1, nella quale viene
dettagliata la presenza del recupero termico entro la caldaia indicata come HRSG (Heat
Recovery Steam Generator).
Il ciclo a vapore può presentare diversi livelli di pressione del vapore inviato in turbina: in
genere più elevato è il numero di livelli di pressione, maggiore è il recupero termico dai
fumi e di conseguenza maggiore è il rendimento elettrico del gruppo combinato, anche se
contestualmente aumenta la complessità architettonica ed il costo d’impianto.
Figura 3.7.1
Prestazioni, principali costruttori e modelli sul mercato
L’elevato livello tecnologico ha permesso di raggiungere, nei cicli combinati di grossa
taglia, valori del rendimento elettrico vicini al 60 %, con architetture a tre livelli di
pressione (3LP) e adottando il risurriscaldamento del vapore (RH). La figura 3.7.2 fornisce
un prospetto dei valori di rendimento dei cicli combinati presenti in commercio: si osserva
che esistono tre famiglie di macchine con complessità impiantistica e prestazioni differenti
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e che coprono fasce di taglia di potenza diverse: oltre ai più grandi 3 LP + RH, vi sono cicli
combinati a due livelli (2 LP) e cicli combinati ad un solo livello di pressione (1 LP), con
taglie da pochi MWe fino a circa 20 MWe.
In particolare, per quanto riguarda i cicli combinati di taglia più piccola, esistono in
commercio solo pochi modelli nel range di potenza elettrica inferiore a 10 MW; questi
sistemi, direttamente disponibili “chiavi in mano” in commercio, sono indicati in tabella
3.7.1, che riporta per ciascuna macchina i valori di rendimento e potenza nominale del
gruppo e le potenze delle singole sezioni (turbogas e turbina a vapore). Si osserva che in
questi impianti la turbina a gas presenta una taglia superiore a 5MW; inoltre si nota che i
rendimenti elettrici ottenibili sono nell’intervallo di valori 40 ÷ 44%, poiché per queste
taglie viene adottato un ciclo a vapore ad un solo livello di pressione.
In linea di principio è possibile realizzare altri cicli combinati monolivello di taglia
inferiore a 10 MWe utilizzando uno dei turbogas di tabella 3.3.1 con potenza inferiore a
5÷6 MWe e dimensionando opportunamente il ciclo a vapore sottostante: ovviamente in tal
caso tra i costi di realizzazione del sistema comparirà anche il costo di progetto dell’HRSG
e del circuito del vapore.
rendimento elettrico [%]
65
60
55
50
45
1 LP
2 LP
3 LP+ RH
40
35
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Potenza elettrica [MW]
Figura 3.7.2
Tabella 3.7.1 - Cicli combinati “chiavi in mano” con sola produzione di energia elettrica
Costruttore
GE
Mitsui Engineering &
Shipbuilding
Solar Turbines
Solar Turbines
Modello
Potenza
elettrica
[kWe]
HR
[BTU/KWh]
Rendimento
elettrico
[%]
Potenza
GT
[kWe]
Potenza
TV
[kWe]
GE5
7821
7830
44
5300
2521
MACS7ʹ
STAC 60
STAC 70
8500
7300
9480
8620
8180
40.7
39.6
41.7
6560
5500
7520
1940
1800
1960
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117
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Il ciclo combinato, essendo basato sull’impiego di turbine a gas, è un sistema energetico
potenzialmente sensibile alle condizioni ambiente; l’effetto della temperatura esterna sulle
prestazioni elettriche di un tipico gruppo combinato è rappresentato in figura 3.7.3, in cui
si evidenziano le differenze rispetto ad una turbina a gas e ad un tipico impianto a vapore.
Si osservi che in genere il ciclo combinato è meno sensibile della turbina a gas alla
variazione di temperatura esterna: quando la temperatura aumenta, gli effetti negativi
sulla potenza del turbogas possono essere in qualche misura attenuati, poiché aumenta la
quota parte di calore scaricato nei fumi, che viene recuperato in caldaia.
Potenza elettrica (% del valore ISO)
variazione consumo specifico
(% del valore ISO)
110
turbina a gas
ciclo combinato
ciclo a vapore
105
100
95
120
110
100
90
turbina a gas
80
ciclo combinato
ciclo a vapore
70
0
5
10
15
20
25
30
Temperatura ambiente [°C]
35
0
5
10
15
20
25
30
35
Temperatura ambiente [°C]
Fig. 3.7.3 – variazioni, rispetto ai valori in condizioni ISO, del consumo specifico (inverso del rendimento
elettrico) e della potenza elettrica
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Il ciclo combinato nasce per la produzione elettrica ad alta efficienza, ma può essere
adattato all’impiego cogenerativo, previa modifica del circuito del vapore. In particolare,
si può utilizzare una parte del vapore per soddisfare una richiesta termica, prelevandolo
dalla turbina con apposito spillamento ed inviandolo ad uno scambiatore di calore, che
riscalda il fluido vettore dell’utenza termica (figura 3.7.4). Il vapore estratto dalla turbina,
dopo che ha ceduto calore all’utenza termica, viene riportato alla pressione del
condensatore ed unendosi alla portata scaricata dalla turbina può proseguire nel ciclo
termodinamico con la condensazione . La modalità con cui viene effettuato lo spillamento
e la posizione di questo sulla turbina dipendono dalle condizioni di temperatura e
pressione richieste dall’utenza termica. Nel caso di più utenze termiche caratterizzate da
livelli di temperatura differenti si realizzano più prese di vapore dalla turbina a pressione
diversa. In genere, poiché la pressione massima del vapore disponibile in uscita
dall’HRSG raggiunge facilmente i 30÷40 bar, gli spillamenti possono avvenire a pressioni
variabili in un ampio range (ad esempio 1÷40 bar), potendo servire utenze con
temperature richieste da 100 °C a 250 °C. Un ulteriore recupero termico (evidenziato in
figura) può avvenire utilizzando uno scambiatore posto entro la caldaia a recupero, spesso
in parallelo con l’economizzatore della caldaia, scambiatore che utilizza una parte del
calore scaricato con i fumi in ambiente.
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fuel
aria
CC
C
TG
TV
Utenza
termica
condensatore
Utenza
termica
al camino
Figura 3.7.4
La presenza dello spillamento nella turbina del ciclo combinato causa una riduzione di
potenza elettrica utile rispetto al caso di sola produzione di energia elettrica. Questo fatto
rappresenta un limite dell’impiego cogenerativo dei cicli combinati: all’aumentare della
produzione termica si riduce la potenza elettrica (figura 3.7.5); come mostrato in figura
3.7.6 per tre diversi impianti combinati ad un livello di pressione, anche il rendimento
elettrico cala all’aumentare del rapporto tra produzione termica ed elettrica.
potenza termica (% del valore massimo)
100
80
60
40
20
0
80
85
90
95
100
Potenza elettrica (% del valore massimo)
Figura 3.7.5
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47
Rendimento elettrico (%)
45
LM1600
CC 1
43
41
TAURUS70
CC 2
39
37
35
ST18A
CC 3
33
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
potenza termica/potenza elettrica
Figura 3.7.6
Combustibili impiegabili ed alimentazione
Come nel caso dell’impiego di turbogas a ciclo semplice, anche nelle soluzioni a ciclo
combinato viene quasi esclusivamente utilizzato come combustibile il gas naturale. Le
medesime problematiche di alimentazione e tutti gli ausiliari richiesti sulla linea del gas si
ritrovano anche nel caso del ciclo combinato. In particolare, la turbina a gas richiede una
pressione adeguata del combustibile in ingresso, pressione che è garantita da un
compressore dedicato per il gas naturale.
Modalità di connessione e di esercizio dei cicli combinati
Il ciclo combinato viene connesso in parallelo alla rete e può essere utilizzato in condizioni
“elettrico segue” con funzionamento a pieno carico elettrico o con modulazione del carico
elettrico. In alternativa può essere utilizzato in condizioni “termico segue”. La gestione di
un impianto combinato in regolazione è meno semplice di quella di un impianto turbogas
e i tempi di risposta possono essere meno veloci a causa delle inerzie della caldaia a
vapore. La regolazione della potenza elettrica del ciclo combinato può essere fatta agendo
direttamente sul solo turbogas oppure anche modificano l’assetto del gruppo a vapore. In
generale, la diminuzione di rendimento elettrico ai carichi parziali è inferiore a quella del
turbogas a ciclo semplice, ma superiore a quella di un impianto con sola turbina a vapore,
come evidenziato in figura 3.7.6.
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120
consumo specifico (% del pieno carico)
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150
turbina a gas
ciclo combinato
ciclo a vapore
140
130
condizioni ISO
120
110
100
40
50
60
70
80
90
100
Potenza elettrica (%)
Figura 3.7.6
Costi, livello di affidabilità e di diffusione
Sulla base dei dati disponibili (Gas Turbine World 2006), il costo specifico di un ciclo
combinato di piccola taglia (tra 5 e 10 MWe) raggiunge valori dell’ordine di 600÷700 €/kW
(750÷870 $/kW), decisamente superiori ai costi specifici degli impianti di taglia maggiore. I
costi di manutenzione sono la somma dei costi per la manutenzione della turbina a gas,
della turbina vapore, nonché della caldaia a recupero. In genere, il sistema richiede un
fermo annuale per manutenzione. L’affidabilità dei componenti installati è in linea con
quella dei gruppi turbogas a ciclo semplice e quella dei gruppi a vapore.
Si tratta di una tecnologia matura ma poco competitiva rispetto ad altre tecnologie; infatti,
la diffusione di cicli combinati nella fascia di potenze in questione è stata fino ad oggi
molto limitata, poiché a parità di potenza l’impianto risulta molto più complesso di un
sistema con turbina a gas a ciclo semplice e anche rispetto ad un sistema con motore a
combustione interna. Inoltre, come visto, le prestazioni ottenibili sono paragonabili se non
inferiori a quelle dei motori alternativi a combustione interna.
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3.8 Motori Stirling
Descrizione della macchina, principio di funzionamento e componenti fondamentali
Il motore a ciclo Stirling è una macchina motrice a combustione esterna che si distingue
per silenziosità ed affidabilità ma che, proprio per la sua natura, è caratterizzata da bassa
potenza specifica e limitato rendimento totale.
Il ciclo di riferimento ideale è descritto da due isoterme e da due isocore, con completa
rigenerazione tra le due isocore (Fig. 3.8.1).
Fig 3.8.1 - Cicli termodinamici di riferimento della macchina di Stirling
Partendo dal punto “1” il fluido di lavoro è sottoposto ad una trasformazione di
compressione a temperatura costante che, come visibile nello schema di Fig 3.8.2, può
essere realizzata in un cilindro che riduce il volume offerto al gas mentre dalle pareti si
provvede al raffreddamento. Dal punto “2” al punto “3” il fluido di lavoro viene trasferito
a volume costante attraverso il rigeneratore dal cilindro di compressione a quello di
espansione. Il passaggio attraverso il rigeneratore riscalda il fluido sino alla temperatura
T1. Dal punto “3” inizia la fase di espansione, a temperatura costante per effetto del
riscaldamento del cilindro, sino al punto “4” a cui corrisponde il massimo volume del
cilindro. A questo punto i due stantuffi riprendono a muoversi simultaneamente,
mantenendo cioè costante il volume offerto al gas, che quindi fluisce verso il cilindro di
compressione attraverso il rigeneratore (4-1). Questo passaggio raffredda il gas che
“deposita” il suo calore nella matrice del rigeneratore che poi lo renderà nell’altro
passaggio di riscaldamento (2-3). Con Q1 viene indicato il calore introdotto nella macchina
lungo l’isoterma (3-4) e con Q2 il calore ceduto dalla macchina lungo l’isoterma (1-2), QR è
il calore che tramite il rigeneratore viene trasferito internamente alla macchina. Nel ciclo
ideale lo scambio di calore con l’esterno avviene quindi solo lungo le due isoterme (1-2) e
(3-4); pertanto il rendimento del ciclo Stirling è uguale al rendimento del ciclo di Carnot
che opera tra le stesse temperature estreme (T1 e T2). Se la trasformazione di espansione
avviene a temperatura più alta di quella relativa alla fase di compressione, cioè se il ciclo
viene percorso in senso orario, si raccoglie lavoro meccanico utile. Come macchina
operatrice frigorifera è invece la fase di compressione quella caratterizzata da più alta
temperatura (il ciclo sarà quindi percorso in senso antiorario) e il lavoro meccanico sarà in
questo caso assorbito dalla macchina.
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Fig 3.8.2 - Schema di funzionamento ed andamento teorico dei volumi
Da quanto detto risulta evidente come questo motore possa facilmente entusiasmare
coloro che desiderino una macchina ad alta efficienza a cui si aggiungono le peculiarità
della combustione esterna. Si vedrà più avanti quali e quante difficoltà tecnologiche si
incontrano per l’allestimento di questa macchina.
I principali punti di forza della macchina di Stirling sono:
• cessione di calore dall’esterno, con conseguente possibilità di utilizzo di energia
termica di vario di tipo: di origine geotermica, solare ad alta temperatura, di recupero
da processi industriali, derivante dalla combustione (esterna) di combustibili di diversa
natura (gassosi, liquidi e solidi);
• silenziosità, dovuta ad assenza di combustioni discontinue ed impulsive e ed al fatto
che il moto del fluido che evolve all’interno della macchina non è regolato dalla
presenza di valvole, bensì dalle variazioni dei volumi relativi che compongono lo
spazio di lavoro offerto al fluido stesso, e queste variazioni vengono, di norma,
generate dal moto di stantuffi;
• affidabilità, principalmente collegata all’assenza di forti stress da sollecitazioni
meccaniche e all’assenza di lubrificazione interna.
Il ciclo sopra descritto può essere percorso in entrambi i sensi, con la possibilità di
realizzare quindi anche una versione “operativa” dello Stirling. Con la dizione macchina
di Stirling si indica quindi una gamma assai vasta di macchine a fluido, motrici ed
operatrici, funzionanti in ciclo chiuso, rigenerativo, impiegabili quali motori primi, pompe
di calore, macchine frigorifere, aventi moto caratteristico dell’elemento mobile alternativo
o, raramente, rotativo.
Problematiche realizzative e rendimento reale del motore Stirling.
A fronte delle numerose peculiarità e degli enormi vantaggi promessi, il motore Stirling
non ha trovato sino ad oggi applicazione, se non come macchina frigorifera per generare
basse temperature (sino a pochi K). La ragione di tutto ciò viene dalla difficoltà di
risolvere, con costi ragionevoli, le tante cause di perdita di prestazioni che altrimenti
porterebbero il motore ad un costo per unità di potenza prodotta assolutamente non
competitivo.
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Quanto descritto al paragrafo precedente si riferisce infatti all’ipotesi ideale di macchina e
fluido di lavoro senza perdite. Passando alla macchina reale si intuiscono subito quali
siano le difficoltà realizzative delle trasformazioni che descrivono il ciclo Stirling.
Innanzitutto la rigenerazione, che nel caso reale sarà ampiamente incompleta e quindi per
riportare il fluido alle temperature estreme si dovrà intervenire con maggiore introduzione
e sottrazione di calore attraverso gli scambiatori. In secondo luogo la generazione dei
volumi con funzioni definite dalle spezzate di Fig 3.8.2 è quanto meno improbabile se si
vuole far girare il motore ad un regime di rotazione idoneo. La funzione più comune è
infatti quella sinusoidale, descritta da stantuffi guidati da un manovellismo di spinta, ma
altre soluzioni sono state proposte ed adottate anche con successo.
Quanto detto comporta che, come mostrato in Fig. 3.8.3, il ciclo di indicatore reale si
discosta notevolmente da quello ideale descritto nel precedente paragrafo. Ne discende
anche che il rendimento di conversione reale (rapporto tra la potenza meccanica o elettrica
ottenuta e la potenza immessa con il combustibile) sia molto minore del rendimento
termodinamico ideale, che, come detto, coincide con il rendimento del ciclo di Carnot che
opera tra le stesse temperature estreme.
ηb
= 0.85-0.92
rendimento del bruciatore
ηt
= 0.65-0.72
rendimento del ciclo termodinamico ideale
ηl
= 0.94-0.96
rendimento limite (dovuto al gas reale)
ηi
= 0.25-0.65
rendimento indicato (rapporto tra lavoro
dei cicli di indicatore reale e ideale)
ηm
= 0.75-0.95
rendimento meccanico
ηo
= 0.85-0.90
rendimento organico
ηg.el. = 0.96-0.98
Fig. 3.8.3 - Confronto tra cicli di indicatore
reale (linea rossa)
e ideale (linea verde)
ηe =
Pe
Pcomb.
rendimento del generatore elettrico
= η b η t η l η iη mη oη g.el. = 0.08 − 0.35
Un’altra problematica deriva dal fatto che, per ottenere potenze ragionevoli, si presurizza
il fluido di lavoro per poterne contenere una massa elevata in volumi ridotti. Dovendo il
fluido avere buone caratteristiche, sia in termini di scambio termico che di perdite di
carico, nella gran parte delle applicazioni, viene usato elio. La sua dimensione molecolare
mette a seria prova le tenute quando deve essere garantito il movimento di alberi di
potenza. I materiali quindi richiedono attenta e costosa scelta. La necessità del
mantenimento di alcune parti ad alta temperatura aggiunge ulteriore complicazioni e
costi.
Va inoltre osservato che, comunque, la potenza specifica, in termini di kW per unità di
ingombro o peso, rimane notevolmente inferiore a quella ottenibile con motori a
combustione interna.
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Tipologie ed architetture
I motori Stirling si possono classificare in due famiglie principali in ragione della
movimentazione dei componenti mobili.
A guida cinematica. Sono quelle macchine in cui il moto degli stantuffi è generato da un
manovellismo trascinato dal movimento rotatorio di un albero motore. Si distinguono in
tre tipologie: α, β e γ, che si diversificano per la suddivisione dei volumi (Fig. 3.8.4).
Come si può notare, nella configurazione α la generazione dei volumi è prodotta in due
cilindri separati dal moto di due stantuffi guidati da un classico manovellismo di spinta.
Questa struttura è stata spesso adottata per la sua semplicità e la facilità costruttiva.
Inoltre, la netta separazione della zona calda da quella fredda aiuta ad evitare forme di
cortocircuito termico.
Per l’ottenimento di potenze specifiche interessanti viene spesso adottato il metodo della
duplicazione degli effetti, utilizzando, come spesso avviene nelle macchine volumetriche,
anche la parte inferiore dello stantuffo per la generazione di volume di lavoro.
Uno schema di macchina a doppio effetto è rappresentato in Fig 3.8.5, mentre in Fig 3.8.6
vengono riportati due esempi applicativi. Come si nota la movimentazione della serie di
stantuffi-displacer può essere comandata da un albero a gomiti o da sistemi diversi, come,
ad esempio, il piatto oscillante.
(α)
(β)
(γ)
Fig 3.8.4 - Schemi di riferimento delle diverse configurazioni di motori
con generazione dei volumi tramite trasmissione manovellismi
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Fig 3.8.5 - Architettura pluricilindrica a doppio effetto
Fig 3.8.6 - Esempi di motore con configurazione α (SOLO 161) e pluricilindrico a piatto oscillante
Tutte le soluzioni sono state adottate con numerose variazioni anche originali, ma nessuna
a dimostrato una netta superiorità sulle altre in termini di efficienza e di ottimizzazione
della generazione dei volumi. Infatti la funzione volume è sempre vicina alla legge
sinusoidale ed i diversi manovellismi sono tutti notevolmente ingombranti.
A pistoni liberi. Sono quelle macchine in cui il pistone di potenza ed il displacer si
muovono liberamente sull’asse del cilindro generando reciprocamente volumi destinati
alla compressione e all’espansione. Tale architettura può quindi essere solo del tipo β, cioè
con i due volumi generati nello stesso cilindro. In queste architetture la conversione del
moto del pistone in energia elettrica è generalmente affidata ad un generatore elettrico
lineare, che ad oggi ha raggiunto rendimenti del tutto confrontabili con quelli degli
analoghi rotativi.
Fig 3.8.7 - Schema funzionale di un motore FreePiston ed esempio realizzativo (MicroGen)
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E’ evidente il vantaggio in termini di compattezza di tale soluzione; eventuali perdite per
shunt termico (ovvero perdite per isteresi e correnti parassite nei nuclei ferromagnetici,
tipicamente di maggiore entità nei generatori elettrici lineari) sono compensate
dall’assenza delle perdite meccaniche dei manovellismi. Va però osservato che il
movimento sincronizzato di pistone di potenza e displacer è affidato all’azione congiunta
di molle meccaniche, differenze di pressione nelle diverse zone ed azione di contrasto del
generatore elettrico. Ne consegue che potranno essere guidate solo masse non eccessive.
Ne deriva la limitazione di applicazione di tale configurazione a motori di potenza bassa,
tipicamente non superiore ai 10 kW.
Principali costruttori e modelli sul mercato, affidabilità, costi di installazione e
manutenzione
Di seguito si elencano i principale costruttori di motori Stirling e si illustrano le loro
applicazioni anche cogenerative. Per ciascun modello vengono riportati alcuni cenni sulla
società e/o il consorzio che lo sta sviluppando, alcune immagini, una tabella con le
principali prestazioni, alcune informazioni su costi di istallazione e manutenzione.
Si tenga presente che:
• Le prestazioni sono spesso fornite dai costruttori senza specificare le condizioni di
prova e quindi difficilmente confrontabili tra i vari modelli.
• I dati di durata, manutenzione, affidabilità e costi di esercizio (per manutenzione),
sono molto aleatori. Pochi costruttori sono partiti con sperimentazioni sul campo.
• Sui costi finali non ci sono dati certi. Magari si conoscono i prezzi di produzione di un
motore Stirling (assolutamente fuori mercato) ma non gli effetti della economia di
scala.
I modelli riportati sono tutti pronti per essere immessi sul mercato, presumibilmente entro
i prossimi due-tre anni. I costi sono ancora superiori ai 3000 – 3500 €/kWe (per le unità da
pochi kWe), ma si stima che produzioni di grande serie possano portare tali costi a valori
confrontabili con quelli dei motori a combustione interna
Disenco
La Disenco sviluppa un motore Stirling di tipo β. Il progetto originale è stato sviluppato
dalla Lund University, ma la configurazione attuale è stata studiata dalla Ricardo. Disenco
collabora con Prodrive per la produzione del motore, con Sentec per l’elettronica di
controllo e con la ditta costruttrice di caldaie Malvern.
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Potenza Elettrica
3 kWe (di picco)
Potenza termica
12- 18 kWt
Consumo
n.d.
Rendimento elettrico
n.d.
Rendimento in cogenerazione
92 %
Rumorosità
n.d.
Ingombri L x H x P (mm)
n.d.
Pesi
n.d.
Combustibili
Gas naturale, GPL. Sono in sviluppo modelli per l’utilizzo di altri combustibili
(legno, biodiesel,…)
Manutenzione
n.d. - Il costruttore fornisce una vita utile di 15 anni.
Costi istallazione
n.d.
Infinia
Il motore Stirling Infinia (ex STC) è un LFPSE (Linear Free Piston Stirling Engine) che è
stato utilizzato per sviluppare un microcogeneratore ad uso domestico accoppiandolo ad
una caldaia di integrazione e ad un sistema di accumulo termico a stratificazione da 105 L.
Il motore è prodotto dalla giapponese RINNAI. Fanno parte del consorzio che sviluppa il
microcogeneratore MerloniTermoSanitari Spa, ENATEC e Bosch.
Potenza Elettrica
Potenza termica Stirling
Potenza termica caldaia integrazione
Potenza termica totale sistema microcogenerativo
Consumo Stirling
Consumo caldaia integrazione
Consumo sistema
Rendimento elettrico Stirling
Rendimento termico Stirling
Rendimento termico caldaia di integrazione
Rendimento termico sistema microcogenerativo
Rendimento globale Stirling
Rendimento globale sistema microcogenerativo
Rumorosità
Ingombri L x H x P (mm)
Pesi
Combustibili
Gas naturale, GPL
Manutenzione
n.d.
Costi istallazione
n.d.
1 kWe
6.4 kWt
19.7 kWt
26.1 kWt
8
kWhc/kWhe
1.04 kWhc/kWht
28.5 kWhc/kWhe
12.5 %
80
%
96
%
91.6 %
92.5 %
95.1 %
n.d.
n.d.
n.d.
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Schema di funzionamento del motore
LFPSE Infinia costruito dalla RINNAI
Applicazione ad alimentazione solare
La principale applicazione della società Infinia è costituita da una sistema solare a
concentrazione costituito da un paraboloide montato su di una struttura girevole capace di
inseguimento solare e di autosostentamento. Il paraboloide si richiude in posizione
protetta durante la notte e nel caso di perturbazione atmosferica. Il sistema è calcolato per
resistere a venti fino a 160 km/h e rimane in funzionamento fino a venti di 50 km/h. Sono
state verificate anche le condizioni di resistenza a neve e grandine.
Potenza di Picco
Tensione
Peso
Larghezza
Altezza
Emissione acustica
3 kW
220 V AC
864 kg
4,7 m
5,6 – 6,4 m
65 dBA @10 m
con specchi puliti, 20°C di temperatura ambiente
ed insolazione 850 W/m2
50 Hz
Microgen
Il motore Microgen è un LFPSE (Linear free Piston Stirling Engine) caratterizzato da
elevata silenziosità, affidabilità e ottime prestazioni. Un consorzio costituito da
Viessmann, Baxi, Vaillant, Remeha e Sunpower ha in progetto un micocogeneratore per
uso domestico, di cui è previsto il lancio sul mercato nel primo trimestre 2009, basato sul
motore Stirling Microgen accoppiato con una caldaia di integrazione, sia in configurazione
con accumulo termico che “wall-mounted”.
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Potenza Elettrica
Potenza termica Stirling
Potenza termica caldaia integrazione
Potenza termica totale sistema microcogenerativo
Consumo Stirling
Rendimento elettrico Stirling
Rendimento termico Stirling
Rendimento globale Stirling
Rumorosità
Ingombri L x H x P (mm)
Pesi
Combustibili
Gas naturale, GPL
Manutenzione
n.d.
Costi istallazione
n.d.
1 kWe (netto) 1,1 kWe (lordi)
6 kWt
18 – 28 kWt
24 – 34 kWt
7,4 kW
13.5 %
81.1 %
94.6 %
< 45 dBA
450 x 920 x 425
110 kg
L’unità MICROGEN può essere considerata attualmente il motore Stirling più affidabile
ed efficiente tra quelli che stanno affacciandosi su di un mercato che ancora presenta
pochissimi concorrenti. E’ presente con il solo prototipo da 1 kWe, che però ben si presta
per la micro-cogenerazione, anche con alimentazione solare. Quest’ultimo prodotto
prevede in particolare la concentrazione dell’irraggiamento solare tramite un sistema
ottico con struttura fissa con una matrice di specchi in grado di inseguire la posizione
solare ottimale con movimentazione autonoma e con una assorbimento di potenza
minimo. La posizione fissa della struttura, e quindi anche del motore, rende agevole la
raccolta del calore di raffreddamento e la sua utilizzazione per riscaldamento o
produzione di acqua calda sanitaria. Nella figura seguente sono rappresentati
schematicamente il sistema ottico a 25 specchi orientabili ed un motore su struttura fissa,
mentre in fotografia è raffigurato un prototipo durante la fase sperimentale.
Schema di impianto con pannello fisso
e specchi orientabili autonomamente
Prototipo di sistema cogenerativo solare
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SOLO - Stirling System
La società Solo GmbH è stata rilevata dalla società Svizzera Stirling System GmbH con
sede a Schaffhausen.
SOLO 161
Il motore Stirling è di tipo α con due cilindri disposti a V.
Potenza Elettrica
2 - 9 kWe (± 5 %)
Potenza termica
8 - 26 kWt (± 5 %)
Consumo
16 – 40 kW
Rendimento elettrico
22 – 24,5 % (± 1 %)
Rendimento in cogenerazione
92 – 96 %
Rumorosità
n.d.
Ingombri L x H x P (mm)
1280 x 980 x 700
Pesi
460 kg
Consumo elettrico
n.d.
NO
80 -120 mg/m3
CO
40 – 60 mg/m3
Combustibili
Gas naturale, GPL
Manutenzione
n.d.
Costi istallazione
n.d.
SEM (Stirling Engine Module)
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Potenza Elettrica
~ 1.2 kWe
Potenza termica
5 kWt (15 kWt con caldaia ausiliaria)
Consumo
Rendimento elettrico
~ 18 % (20.9 % in laboratorio; obiettivo: 25 %)
Rendimento in cogenerazione
~ 90 % (riferito al Potere Calorifico Superiore)
Rumorosità
n.d.
Ingombri L x H x P (mm)
n.d.
Pesi
n.d.
Combustibili
Gas naturale, GPL
Manutenzione
Secondo il costruttore le prove sul campo condottei su 5 applicazioni reali per un
totale di 20.000 ore, hanno evidenziato una buona affidabilità.
Costi istallazione
n.d.
Stirling Danmark
L’azienda, fondata nel 2004 dal Professor Henrik Carlsen del Technical University of
Denmark, ha sede in Danimarca e offre sistemi cogenerativi basati su un motore Stirling a
4 cilindri a doppio effetto da 35 kWe denominato SD4E.
Potenza Elettrica
Rendimento elettrico
Combustibili
35 kWe
28 %;
Specificamente progettato per bio-combustibili, può essere utilizzato con
combustibili di vario tipo, sia solidi, sia liquidi, sia gassosi.
Rumorosità
n.d.
Ingombri L x H x P (mm)
n.d.
Pesi
n.d.
Manutenzione
Intervalli di manutenzione ogni 4.000 – 8.000 ore.
Costi istallazione
n.d.
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STM Corporation - Stirling Biopower
La Stirling Biopower ha acquisito la STM Corporation, azienda sorta dopo il fallimento di
STM Power Inc. (USA), che ha sviluppato motori pensati per la propulsione ibrida.
STM 4
Il motore Stirling STM 4 è un quattro cilindri a doppio effetto a piatto oscillante
Potenza Elettrica
Potenza termica
Consumo
Rendimento elettrico
Rendimento in cogenerazione
Rumorosità
Ingombri L x H x P (mm)
Pesi
Combustibili
Manutenzione
Costi istallazione
55 kWe
91 kWt
3,333 kWhc/kWhe
30 %
80 %
58 dBA a 7 metri
2590 x 1100 x 860 (sola produzione elettrica)
2590 x 1730 x 860 (versione cogenerativa)
1455 kg (sola produzione elettrica)
1591 kg (versione cogenerativa)
Combustibili convenzionali, alcol, idrogeno, biomasse (solide, liquide e gassose)
Recupero di calore di scarto da processi ad alta temperatura (760°C)
Per un motore che lavora a pieno regime, la STM dichiara una operazione di
manutenzione ordinaria ogni 10.000 ore.
n.d.
I motori STM possono essere installati in più moduli, in modo da raggiungere potenze
elettriche superiori.
PowerUnit
A partire dal motore STM 4 la Stirling Bipower ha sviluppato il cogeneratore PowerUnit
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Potenza Elettrica
38 kWe
Potenza termica
68 - 71 kWt
Consumo
136 - 141 kW
Rendimento elettrico
27 - 28 %
Rendimento in cogenerazione
75 - 80 %
Rumorosità
n.d.
Ingombri L x H x P (mm)
n.d.
Pesi
n.d.
Combustibili
Combustibili gassosi, liquidi e biomasse
Recupero di calore da flussi di aria/gas ad alta temperatura
Manutenzione
n.d.
Costi istallazione
n.d.
Sunmachine
Sunmachine è una società con sede in Germania. Produce unità di cogenerazione, basate
su motori Stirling di tipo α, alimentate a gas (gas naturale, GPL e biogas) e a pellet.
Produce anche un sistema ad energia solare costituito da un paraboloide che concentra la
radiazione solare sulla “testa calda” di un motore Stirling.
Alimentazione a gas
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(gas naturale, GPL, biogas)
Alimentazione a pellet di legna
Potenza Elettrica
1.5 - 3 kWe
Potenza termica
4.5 - 10.5 kWt
Consumo
7.5 - 14.9 kWc
Rendimento elettrico
20 - 25 %
Rendimento in cogenerazione
~ 90 %
Rumorosità
~ 49 dB
Ingombri L x H x P (mm)
1160 x 1590 x 760
Pesi
300 kg (gas), 410 kg (pellet)
Combustibili
Gas naturale, GPL, biogas, pellet di legna
Manutenzione
n.d. - Il costruttore raccomanda un controllo ogni 3500 h o una volta all’anno
Costi istallazione
€ 19.800 (gas) - 23.500 (pellet) (IVA inclusa) in Germania
WhisperTech
Il microcogeneratore Whispergen della WhisperTech Ltd della è distribuito in Inghilterra
dalla E.ON. Dal 2005 è disponibile nella versione con caldaia supplementare per utenze
termiche maggiori. La WhisperTech Ltd fornisce anche cogeneratori per applicazioni offgrid per uso a bordo di camper, roulotte od imbarcazioni.
Potenza Elettrica
Potenza termica
Consumo
Rendimento elettrico
Rendimento in cogenerazione
Rumorosità
Ingombri L x H x P (mm)
Pesi
Consumo elettrico
Combustibili
Manutenzione
Costi istallazione
1 kWe
7 kWt (motore) + 5 kWt (caldaia integrazione)
Min
5,5 kWt
Nominale superiore a 7 kWt
Max
superiore a 12 kWt
1,55 m3/h (consumo massimo in cogenerazione)
n.d.
n.d.
n.d.
480 x 840 x 560
137 kg (senza acqua all’interno)
9 W in stand-by
100 W in funzionamento
Gas naturale
Una operazione di manutenzione e check all’anno. Esistono appositi contratti
di servizio e manutenzione
£ 3.000 (IVA inclusa) in Inghilterra (di cui £ 1.350 di fornitura)
€ 14.000 (IVA inclusa) in Germania (di cui € 10.000 di fornitura)
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Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Nel motore Stirling la presenza di combustione esterna rende molto flessibile la
produzione combinata di energia elettrica e termica. Infatti, a differenza di quanto avviene
nelle macchine a combustione interna, dove il calore viene recuperato a valle della
macchina, nella camera di combustione esterna si può produrre calore
contemporaneamente per il motore e per l’utenza termica ad alta temperatura. In
particolare nel motore il calore ad alta temperatura serve per scaldare la “testa calda” dello
Stirling, dal quale è anche possibile recuperare calore a più bassa temperatura dal
raffreddamento della “testa fredda”. E’ quindi possibile sfruttare calore a diversi livelli di
temperatura.
In sintesi si può dire che con le macchine a combustione interna la cogenerazione è sempre
in serie, mentre con il motore Stirling il calore ad alta temperatura è in parallelo alla
produzione di energia elettrica e quello a bassa temperatura è in serie, essendo
necessariamente derivato dal raffreddamento del motore.
Fig 3.8.8 - Schema impiantistici cogenerativi tipici di MCI e motore Stirling
E’ utile evidenziare che, mentre nei motori a combustione interna il raffreddamento è una
esigenza tecnologica, nei motori a combustione esterna il rilascio di calore a bassa
temperatura è una esigenza termodinamica del ciclo. Esso influisce infatti sul rendimento
del ciclo, che sarà tanto maggiore quanto minore è la temperatura di cessione del calore.
In conclusione la cogenerazione con il motore Stirling rende possibile l’inseguimento del
carico termico in maniera indipendente dal funzionamento del motore, il cui rendimento
influisce solo sul calore rilasciato a bassa temperatura. Da quanto sopra detto risulta che il
motore Stirling può trovare nella cogenerazione quella fortuna applicativa che sino ad ora
non ha mai avuto. Le più recenti applicazioni stanno dando ragione a tale approccio.
Inoltre la combustione esterna che permette di scegliere liberamente il combustibile o la
fonte di calore, apre possibilità che, in una situazione energetica sempre più critica,
acquista peculiarità anche economiche molto apprezzate.
In figura 3.8.9 sono riportati i valori dichiarati del rendimento elettrico e termico dei
motori Stirling in precedenza descritti ed i limiti individuati dalla delibera 42/02
dell’AEEG e successive modifiche. Le curve limite dell’IRE sono ottenute sotto le seguenti
ipotesi: alimentazione a gas naturale, connessione in bassa tensione (sia nel caso di
autoconsumo, sia nel caso di immissione in rete dell’E.E. prodotta), utilizzo dell’energia
termica in ambito civile.
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1.0
E.E. autoconsumata
E.E. immessa in rete
Stirling, comb.: GN
0.9
IRE = 0.10
Rendimento termico
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
LT = 0.33
0.2
0.1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
Rendimento elettrico
0.4
0.5
Fig. 3.8.9 – Posizionamento dei motori Stirling rispetto alla normativa italiana sulla cogenerazione.
Ipotesi: combustibile GN, connessione in BT (sia nel caso di autoconsumo, sia nel caso
di immissione in rete dell’ E.E. prodotta), utilizzo del calore in ambito civile
Combustibili impiegabili
La natura del motore Stirling di macchina a ciclo chiuso ed a “combustione esterna” lo
rende adatto all’impiego dei combustibili più disparati, dai tradizionali combustibili fossili
sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, ai combustibili derivati da recupero o produzione
agroalimentare, come biogas di vario genere, landfill gas, combustibili di origine
rinnovabile sia liquidi (biooli) sia solidi (pellet). Grazie alla combustione esterna e di tipo
continuo (quindi caratterizzata dalla quasi totale assenza di oscillazioni di pressione), si
ottengono bassi livelli di emissioni sia gassose sia acustiche, spesso irraggiungibili con
altre macchine, quali i motori alternativi a combustione interna.
Il calore introdotto nella macchina può anche non derivare dalla combustione, ma è
possibile lo sfruttamento di energia termica di origine geotermica, solare ad alta
temperatura o di recupero da processi industriali.
In particolare per quanto riguarda l’energia termica di origine solare, si stanno
concretizzando alcune realizzazioni industriali di prodotti che sembrano ottenere un
vantaggio economico con lo sfruttamento “termodinamico” dell’irraggiamento solare. In
termini cogenerativi il sistema si presenta particolarmente vantaggioso per le applicazioni
civili di piccola taglia poiché il recupero del calore scaricato dal motore Stirling può essere
agevolmente utilizzato per il riscaldamento e/o la produzione di acqua sanitaria,
risultando competitivo nei confronti dei sistemi fotovoltaici.
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Previsioni di mercato
Studi svolti hanno permesso di individuare alcune condizioni che devono essere
soddisfatte affinché lo Stirling abbia la possibilità di diffondersi in applicazioni
cogenerative di tipo civile residenziale, in competizione con le attuali caldaie murali:
•
la manutenzione e altri oneri aggiuntivi dovuti alla al sistema di microcogenerazione
devono essere comparabili con quelli di una caldaia, sia in termini di costi che in
termini di impegno temporale (ad esempio gli interventi di manutenzione
dovrebbero essere coincidenti con quelli della caldaia);
•
il maggior costo iniziale del sistema di micro-cogenerazione deve poter essere
ammortizzato in tempi accettabili per l’utente finale.
Con riferimento a quest’ultimo punto, studi in merito hanno evidenziato che, tenendo
conto degli attuali costi dell’energia elettrica e del gas naturale nei vari paese europei, il
sovraccosto rispetto ad una caldaia tradizionale, che può sopportare un sistema di
microcogenerazione con motore Stirling per risultare concorrenziale rispetto alla caldaia in
parte del mercato europeo, si dovrebbe attestare, in assenza di incentivi, tra 500 e
1000 €/kWe, valori questi non ancora in linea con i prezzi che, ufficiosamente, circolano tra
i produttori.
Esempi di realizzazioni
Stirling Danmark – Castel D’Aiano (BO)
Il sistema di cogenerazione è costituito da un gassificatore, nel quale viene prodotto gas
dalla gassificazione del cippato di legna, una camera di combustione, nella quale il gas
viene bruciato, e un motore Stirling SD4E da 35 kWe (Stirling Danmark) ad essa
accoppiato; la potenza termica utile è di 140 kWt. L’energia elettrica erogata dal generatore
viene ceduta direttamente alla rete di bassa tensione, mentre il calore prodotto viene
immagazzinato in una batteria di accumulatori termici e distribuito da una rete di
teleriscaldamento a varie strutture. La rete di teleriscaldamento ha una lunghezza totale di
800 metri e la volumetria servita raggiunge i 12.500 m3, per un consumo termico stimato in
fase di progetto di oltre 480 MWh/anno. In fase di progetto è stato previsto che l’impianto
di cogenerazione lavori circa 6.000 ore/anno producendo circa 210 MWh di energia
elettrica e 840 MWh di energia
termica, di cui solamente una parte
viene dispersa in atmosfera per il
raffreddamento del motore nei mesi in
cui la rete di teleriscaldamento non
riesce a distribuire tutta l’energia
termica accumulata. Il consumo
annuale di legno è stato stimato in
circa 450 tonnellate.
Il costo del sistema di cogenerazione,
comprendente gassificatore, caldaia e
motore Stirling, è stimato in 210.000 €.
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WhisperTech
Due cogeneratori Whispergen (WhisperTech) (potenza elettrica nominale 1 kWe, potenza
termica, comprensiva di caldaia integrativa, 12 kWt) sono installati in provincia di
Bergamo in due abitazioni isolate con annesso ufficio, dove producono energia elettrica e
calore per riscaldamento e produzione acqua calda sanitaria. Il primo cogeneratore è stato
installato a novembre 2006 e ha totalizzato circa 5000 ore di funzionamento (marzo 2009,);
il secondo cogeneratore, installato a febbraio 2008, ha totalizzato circa 3700 ore di
funzionamento (marzo 2009). Sono previsti interventi di manutenzione una volta all’anno
per controllo combustione, pressione azoto nei cilindri e pulizia parti interne.
L’installazione chiavi in mano, compresi i costi di avviamento, costa 9.000 €.
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3.9 Celle a combustibile
Nel panorama dei sistemi energetici le celle a combustibile o Fuel Cells (FC), rappresentano
una soluzione che consente, anche con taglie di potenza ridotta, di ottenere rendimenti
elettrici significativi. Questa emergente tecnologia può essere impiegata sia per la
produzione di energia elettrica, sia per applicazioni cogenerative, presentando benefici in
termini di prestazioni e di impatto ambientale. In particolare la modularità delle FC
permette di realizzare impianti con potenza elettrica compresa fra 500 W e 10 MW, con
rendimenti pressoché identici fra loro e che presentano un’ottima gestione del carico ed un
basso costo di esercizio. La densità di potenza (potenza per unità di volume) ottenibile è
abbastanza limitata rispetto ai MCI, tuttavia tale aspetto non costituisce un fattore
essenziale nell’impiego stazionario.
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
Le celle a combustibile sono sistemi elettrochimici capaci di convertire l’energia chimica
del combustibile (tipicamente, ma non esclusivamente, idrogeno) direttamente in energia
elettrica, senza un processo di combustione e scambio di lavoro meccanico con l’esterno.
Infatti, il principio di funzionamento che sta alla base delle FC prevede la presenza di
reazioni elettrochimiche che generano una corrente elettrica utile.
La struttura di una FC è analoga a quella di una pila elettrochimica; sono presenti due
elettrodi (anodo e catodo) ed un elettrolita disposto tra i due elettrodi (figura 3.9.1). Il
combustibile, solitamente H2, viene alimentato dall’esterno al comparto anodico, mentre
un flusso di ossidante (aria o ossigeno puro) viene convogliato verso il catodo. La presenza
di catalizzatore sugli elettrodi favorisce due semireazioni: di ossidazione elettrochimica
dell’idrogeno
( H 2 → 2H + + 2e − )
e
di
riduzione
elettrochimica
dell’ossigeno
+
−
( 2H + 1 2O 2 + 2e → H 2 O ) con scambio di ioni attraverso l’elettrolita e formazione di acqua;
in definitiva le reazioni liberano elettroni sull’anodo generando un flusso di corrente
continua: tali elettroni possono essere convogliati su un carico elettrico esterno.
Figura 3.9.1
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Per ottenere potenze adeguate, la sezione elettrochimica di un sistema FC si compone
tipicamente di numerosi moduli assemblati in parallelo tra loro, il cui insieme prende il
nome di stack.
Al momento esistono diverse tipologie di FC, ad un diverso livello di sviluppo, che
includono:
- le celle a combustibile alcaline AFC,
- le celle a combustibile a membrana polimerica PEMFC,
- le celle a combustibile ad acido fosforico PAFC,
- le celle a combustibile a carbonati fusi MCFC,
- le celle a combustibile ad ossidi solidi SOFC,
- e ultimamente le celle a combustibile a metanolo diretto DMFC.
Tutte queste tipologie si differenziano in base alla natura dell’elettrolita impiegato e sono
caratterizzate da temperature di esercizio differenti (variabili da 50°C a 900°C), con
importanti risvolti in relazione all’impiego cogenerativo. Usualmente le FC vengono
classificate in base alla temperatura, distinguendo tra celle a bassa temperatura (AFC,
PEMFC, PAFC e DMFC; tra queste solo le DMFC non hanno attualmente una prospettiva
reale di impiego cogenerativo) e celle ad alta temperatura (MCFC e SOFC). La tabella 3.9.1
riporta i valori tipici di temperatura di funzionamento, assieme ad altre caratteristiche
tipiche.
Tabella 3.9.1
Elettrolita
Reforming
interno
Ossidante
Temperatura di
funzionamento
Rendimento
del sistema (1)
Sostanze
nocive
PEMFC
Membrana
polimerica
(ioni H+)
No
AFC
Soluzione
alcalina (ioni
OH-)
No
PAFC
Acido
fosforico (ioni
H+)
No
MCFC
Carbonati di
litio fusi
(ioni CO32)
Si
SOFC
Ossido di
zirconio (ioni
O2Si
Aria
60-110°C
O2
90-250°C
Aria
150-210°C
Aria
600-700°C
Aria
700-1000°C
25-35%
32-40%
35-40%
40-50%
45-55%
CO, Zolfo
CO, CO2,
Zolfo
CO, Zolfo
Zolfo
Zolfo
(1) con riferimento al potere calorifico superiore, HHV
Per poter generare energia, oltre alla sezione elettrochimica vera e propria, è necessario un
complesso di componenti ausiliari fondamentali. Ogni sistema è pertanto costituito da
alcuni sottosistemi principali: 1) lo stack che produce energia elettrica sottoforma di
corrente continua; 2) il sistema di alimentazione dell’ossidante, che prevede in particolare
un compressore/ventilatore; 3) il sistema di condizionamento della potenza elettrica che
trasforma la corrente continua uscente dallo stack in corrente alternata e adegua tensione e
frequenza ai valori opportuni richiesti dal carico esterno; 4) la sezione di stoccaggio e
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trattamento del combustibile, con eventuale produzione di idrogeno riformato da
idrocarburi, qualora non sia direttamente disponibile l’idrogeno; 5) il sistema di
raffreddamento interno dello stack.
Un sistema elettronico di supervisione e controllo esterno consente di coordinare il
funzionamento delle diverse sezioni e di intervenire, quando necessario, per mantenere la
sicurezza dell’impianto, o per far fronte a possibili avarie o malfunzionamenti di qualche
sua parte.
Lo schema di figura 3.9.2 mette in evidenza i principali componenti di un sistema a cella a
combustibile.
Sitema
di
controllo
Dati sistema di controllo
Scarico
Combustibile
Inverter
Potenza
elettrica
FC
STACK
Potenza
termica
Trattamento
del
combustibile
Aria
Figura 3.9.2
Tale schema generale d’impianto è simile in tutte le diverse filiere di celle a combustibile,
eccetto alcuni accorgimenti tecnologici adottati in funzione delle temperature di
funzionamento.
Principali costruttori e modelli sul mercato
Sebbene gli impianti cogenerativi basati su celle a combustibile abbiano fatto il loro
ingresso sul mercato energetico solo negli anni più recenti ed ancora risentano di una
notevole immaturità tecnica per poter penetrare tale mercato, sono diverse le società che si
stanno attivamente impegnando nello sviluppo e commercializzazione di questi impianti.
Sistemi basati su tecnologia di tipo PEMFC:
- Ballard (Canada) – sin dal 1983 sviluppa e commercializza sistemi per uso
stazionario cogenerativo di taglie comprese fra 1-10 kW.
- UTC Fuel Cell (USA) – sta sviluppando un sistema da 5 kW per uso residenziale e
piccole applicazioni commericiali. UTC Fuel Cell ha un esperienza trentennale ed
ha già installato sistemi da 4kW alimentati a gas naturale nello stato dell’Ohio.
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-
-
-
-
Hydrogenics (USA) – ha in produzione un sistema CHP da 5 kW per uso domestico
con un rendimento complessivo di circa il 75 %. Hydrogenics sta inoltre
sviluppando un sistema di taglia compresa fra i 15-25 kW per un impiego
nell’ambito commericiale ed istituzionale.
Nuvera Fuel Cell (Italia/USA) – sta sviluppando un sistema da 5 kW per uso
residenziale con l’intento primario di abbattere i costi di investimento iniziale.
AltErgy (USA) – progetta e produce sistemi CHP di taglia fra 5-30kW per impiego
stazionario.
Electro Power Sytem (Italia) – ha in progetto di installare diversi sistemi di prova in
molte regioni del mondo per provare e affinare un’unita CHP da 7 kW.
Exergy (Svezia/Italia) – ha realizzato nel 2003 un sistema CHP da 5kW alimentato
ad idrogeno ed ora sta mettendo sul mercato un sistema CHP da 5 kW alimentato a
gas naturale.
Helion (Francia) - sta sviluppando un’unità energetica CHP integrata con altre
sorgenti rinnovabili di cui ancora non si conosce la data di presentazione.
Hydra Fuel Cell (USA) – ha installato due sistemi Hydrastax systems negli USA e
recentemente ha avuto commesse per ulteriori 50 unità da installare in tutto il
mondo.
Plug Power (USA) - produce un sistema CHP da 7kW per uso residenziale
distribuito in tutto il mondo da General Electrics.
Sistemi basati su tecnologia di tipo SOFC:
- Rolls Royce Fuel Cell Systems (UK) – ha terminato lo sviluppo del sistema IP-SOFC
conseguendo le caratteristiche prestazionali per poterlo immettere sul mercato e sta
iniziando la pre-industralizzazione del prototipo. Il sistema consiste di un’unita
cogenerativa ibrida che accoppia un SOFC da 800kW con una micro turina da 200
kW.
- Bloom Energy (USA) – è stata nominata una delle migliori società di SOFC nel 2007
ed ora sta introducendo sul mercato il proprio sistema rigenerativo “stealth mode”.
- Ceres Power (UK) – nel 2007 ha presentato il primo sistema CHP integrato ed ha
annuciato due accordi con EDF e Centrica per produrre sistemi CHP per uso
residenziale.
- Ceramic Fuel Cell (Australia) – sviluppa sistemi con geometria planare da più di
quattordici anni ottimizzati per poter essere alimentati con diversi tipi di
combustibile: GPL, bio-combustibile e altri idrocarburi.
- Siemens-Westinghouse (Germania) – è leader nel mercato dei sistemi a geometria
tubolare ed è stato installato un sistema cogenerativo da 100kW in Olanda mentre
altri due sistemi da 250 kW e 1 MW hanno raggiunto la fase finale di sviluppo.
- Fuel Cell Energy (Canada) – sta sviluppando una sistema a geometria planare da 2
kW con temperatura di funzionamento attorno a 700°C; il prototipo “RP-2” ha
recentemente superato le 4000 ore di funzionamento.
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-
Zteck Corporation (USA) – è in grado di commercializzare un sistema ibrido con
cella SOFC da 200 kW accoppiata ad una microturbina e un sistema semplice con
cella SOFC da 150 kW per produrre potenza elettrica, termica e frigorifera.
Sistemi basati su tecnologia di tipo MCFC:
- Ansaldo Fuel Cell (Italia) – il programma di sviluppo prevede l’industrializzazione
di sistemi di taglia compresa fra i 100kW e i 30 MW. il modello di lancio sarà l’unita
“series-500” concepito per entrare nel breve termine sul mercato.
- Fuel Cell Energy (USA) – leader nello sviluppo della tecnologia di sistemi MCFC
offre sul mercato la propri sistemi “Direct Fuel Cell” con taglie di potenza compre
fra 250 kW e 1 MW.
Sistemi basati su tecnologia di tipo PAFC:
- Fuji Electric Company (Giappone) – presso il centro di sviluppo della Fuji si
produce e vende un sistema CHP da 100kW denominato FP-100.
- HydroGen (USA) – produce diverse unita CHP utilizzando il proprio sistema
brevettato da 400kW
- UTC Power(USA) – ha aperto la strada alla commercializzazione dei sistemi a cella
combustibile con il modello PC25-PAFC vendendone oltre duecento in tutto il
mondo. Sebbene stia continuando la produzione di sistemi CHP di tipo PAFC sta
spostando il proprio core business sulla tecnologia PEMFC
- Mitsubishi Electric Corporation (Giappone) – ha in progetto di commercializzare un
sistema CHP da 200-kW.
Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Il rendimento elettrico di un sistema a cella a combustibile, benché affetto dagli
assorbimenti di energia da parte dei numerosi ausiliari (in primo luogo il compressore
dell’aria e l’inverter), assume valori abbastanza elevati: nel caso di alimentazione con
idrogeno si ottengono valori fino a 40÷45% per le celle a bassa temperatura e del 48÷50%
per le celle ad alta temperatura; e si considera la possibilità di inserire la cella ad alta
temperatura in un ciclo termico più complesso (ad esempio integrando la FC con una
microturbina) si arriva a valori del rendimento di 60÷65% (rendimenti valutati rispetto al
potere calorifico inferiore, LHV).
Nel caso invece di celle a bassa temperatura, considerando l’alimentazione a gas naturale
o metanolo con relativo stadio di reforming per la conversione del combustibile in
idrogeno, il rendimento complessivo del sistema è tipicamente del 30÷35%.
Una proprietà estremamente interessante dei sistemi a FC è la possibilità di mantenere il
rendimento elettrico elevato in un ampio range di valori della potenza erogata: come si
osserva in figura 3.9.3, per un tipico sistema con FC, ai carichi parziali si ha addirittura un
incremento di rendimento; solo per potenze molto basse il consumo interno di energia
dovuto agli ausiliari diviene preponderante.
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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rendimento elettrico (%)
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
carico elettrico (%)
Figura 3.9.3
Il calore prodotto dalle reazioni interne alla FC viene smaltito da un circuito di
raffreddamento che prevede un fluido refrigerante della cella ed uno scambiatore esterno.
Il calore scaricato può essere sfruttato al fine di un’eventuale cogenerazione e anche per
fornire l’apporto termico richiesto dal sistema di trattamento del combustibile. Il
rendimento termico massimo dei sistemi a FC può essere dell’ordine del 40÷50%.
La potenza termica resa disponibile presenta caratteristiche differenti in base al tipo di
cella impiegata poiché, come si è visto, le temperature interne sono molto diverse.
Nell’ambito delle taglie di potenza elettrica tra 1÷100kW si è soprattutto affermata la cella
di tipo PEMFC che ha temperature di funzionamento comprese fra i 60°C e i 110°C,
pertanto il loro utilizzo è adatto per l’impiego cogenerativo nel campo residenziale, ad
esempio per riscaldare acqua fino a 50÷70°C.
Le celle PAFC funzionano a partire da 150°C fino a circa 210°C; la PAFC è dunque adatta
per applicazioni cogenerative per la produzione di acqua calda sanitaria (a partire da
40÷50°C) o vapore a temperature attorno 140°C.
Le celle MCFC usano come elettrolita una miscela di sali fusi composta tipicamente da
carbonati di litio, sodio o potassio e funzionano a 600÷700°C per mantenere il sale fuso.
Le SOFC presentano temperature di esercizio più elevate: comprese fra i 700°C fino oltre i
900°C. Dunque sia le MCFC che le SOFC hanno un elevato potenziale cogenerativo, con
possibilità di generare calore pregiato ad alta temperatura, non solo per impiego civile, ma
soprattutto per utenze industriali ad alta temperatura, con la possibilità di produrre
vapore a pressione oltre i 10 bar. In realtà le taglie e le dimensioni previste di questi
generatori sono piuttosto elevate e dunque le celle ad alta temperatura ricoprono minor
interesse per l’ambito della piccola e micro-cogenerazione.
Combustibili impiegabili
Il combustibile principale per le celle è l’idrogeno, che deve perciò essere reso disponibile
da bombole o da appositi reformers, reattori chimici che generano idrogeno a partire da
altri combustibili, oppure da elettrolizzatori, che impiegano energia elettrica ed acqua.
In applicazioni stazionarie si può prevedere un utilizzo di gas naturale (prelevato dalla
rete previa depurazione dello zolfo) riformato in idrogeno.
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Il grado di purezza dell’idrogeno richiesto in alimentazione dipende dalla tipologia di
cella: le PEMFC richiedono alimentazione ad idrogeno pressoché puro, poiché piccole
impurezze (soprattutto CO e zolfo) causano danni al catalizzatore (platino, molto delicato
e costoso); le PAFC sono sensibili allo zolfo e le celle ad alta temperatura non richiedono
particolari attenzioni poiché utilizzano catalizzatori meno delicati del platino. L’alta
temperatura di esercizio rende possibile l’alimentazione con combustibili diversi
dall’idrogeno puro come, ad esempio, il metano. In tal caso il sistema contiene una sezione
di pre-reforming interno alla cella. La CO2 non costituisce un veleno così come i
catalizzatori non sono sensibili alla CO che può essere usato come combustibile nel caso di
reforming interno, mentre lo zolfo nel combustibile deve essere inferiore alle 0.5 ppm.
Modalità di connessione e di esercizio
I sistemi CHP basati su FC possono alimentare le utenze sia in parallelo con la rete di
distribuzione, sia in configurazione di isola di carico per alimentare utenze isolate.
La regolazione del carico vie effettuata intervenendo sul controllo della portata dei
reagenti chimici (aria e combustibile) per via elettronica. Riducendo il carico, il rendimento
delle FC migliora; per tal motivo i sistemi presentano eccellenti caratteristiche di
funzionamento in modalità “load-following”; inoltre l’energia termica messa a
disposizione può essere variata (tra il suo massimo e zero) in base alle richieste, senza che
questa regolazione condizioni il rendimento elettrico della generazione di energia elettrica.
A causa dei lunghi tempi di riscaldamento necessari all’avvio e dei problemi di cui alcune
tipologie di elettrolita risentono ad ogni accensione, i sistemi a FC poco si prestano a
funzionamenti ciclici del tipo “on demand”.
Costi , affidabilità e manutenzione
Attualmente la tecnologia delle FC non ha ancora raggiunto una maturità adeguata:
l’affidabilità sul lungo periodo non è ancora garantita ed i costi degli impianti sono ancora
molto superiori a quelli dei sistemi concorrenti.
Tra tutte le tipologie di celle, le PAFC, nonostante l’elettrolita utilizzato sia un acido,
fortemente corrosivo e potenzialmente pericoloso che rischia di diventare instabile se le
temperature raggiunte sono troppo alte, hanno raggiunto una discreta affidabilità e sono
da tempo in fase di commercializzazione. Esistono poi diverse installazioni di PEMFC
stazionarie ed alcuni produttori commercializzano moduli PEMFC anche in assetto
cogenerativo. Per quanto riguarda le celle ad alta temperatura, esistono solo prototipi in
numero limitato; inoltre l’elevato tempo necessario per l’avvio, gli elevati costi dei
materiali impiegati e dei processi di produzione oltre ai problemi di durata, limitano per
ora la diffusione di tale tecnologia.
La tabella 3.9.2 fornisce alcuni dati prestazionali per impianti con taglie comprese fra i 10
kW e i 2 MW; le taglie di potenza scelte, coprono la maggior parte delle applicazioni in cui
sia possibile impiegare sistemi a FC per uso cogenerativo ed inoltre sono rappresentative
di quegli impianti che sono già commercialmente disponibili o che dovrebbero diventarlo
nel breve termine.
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Tabella 3.9.2
Caratteristiche e prestazioni
Tipo di FC
P.el. nominale (kW)
Temperatura di funzionam. (°C)
Rendimento elettrico (%) (1)
P.intr. col combustibile (kW)
Caratteristiche CHP
P.term disponibile > 80°C (kW)
P.term disponibile < 80°C (kW)
P.term tot (kW)
Rendimento tot CHP (%HHV)
Limite termico
Disponibilità commerciale
Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4 Sistema 5
PAFC
PEMFC
PEMFC
MCFC
MCFC
200
10
200
250
2000
200
75
75
650
650
36
30
35
43
46
560
30
590
590
4340
110
110
220
75
0.52
Comm
0
13
13
76
0.56
Demo
0
210
210
70
0.51
Demo
65
65
130
64
0.34
Demo
550
490
1040
70
0.34
Demo
Sistema 6
SOFC
100
850
45
235
30
25
55
66
0.36
Demo
(1) con riferimento al potere calorifico superiore, HHV
I dati in tabella mettono in evidenza che i rendimenti elettrici aumentano all’aumentare
della temperatura e della taglia della FC. Contestualmente all’aumentare del rendimento
elettrico, la quantità di calore disponibile per produrre energia termica utile decresce per
unita di potenza prodotta così come il limite termico.
In tabella 3.9.3 si riporta una stima dei costi di installazione per gli stessi sei sistemi
(presentati in tabella 3.9.2) progettati per la generazione distribuita in assetto cogenerativo.
La voce di costo dell’impianto tiene conto dei costi dei sottosistemi di cui è composto:
stack, reformer, elettronica di potenza, circuito di raffredamento e organi ausiliari che
assumeranno pesi diversi in funzione della tecnologia dei singoli impianti. Il costo finale
d’installazione del sistema consiste nel costo complessivo delle attrezzature più il costo di
installazione e dei materiali, l’ingegnerizzazione e lo sviluppo del progetto (sono compresi
i costi di licenze, assicurazioni, avviamento dell’attività), gli investimenti finanziari ed un
piccolo margine di spese varie ed impreviste.
Tabella 3.9.3
Caratteristiche e prestazioni
Tipo di FC
P.el. nominale (kW)
Costi
delle
attrezzature
(euro/kW)
Impianto
Interruttori di rete
Materiali e mano d’opera
Altri costi (euro/kW)
Gestione del progetto
Ingegnerizzazione
Varie
Costo
di
installazione
(euro/kw)
Sistema 1
PAFC
200
Sistema 2
PEMFC
10
Sistema 3
PEMFC
200
Sistema 4
MCFC
250
Sistema 5
MCFC
2000
Sistema 6
SOFC
100
2850
75
200
3450
185
75
2200
75
200
3200
75
210
1800
10
170
2100
90
185
90
40
75
3330
210
65
65
4050
90
40
75
2680
80
45
70
3680
60
20
40
2100
125
55
35
2590
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I costi di manutenzione per i sistemi a FC variano notevolmente a seconda della
tecnologia. Tipiche voci di costo che devono essere prese in considerazione sono: lavori di
manutenzione, parti di ricambio degli ausiliari (come i filtri dell’aria e del combustibile,
iniettori del reformer, guarnizioni), materiali di consumo (come catalizzatori e assorbitori
di zolfo) ed infine sostituzione dello stack ogni quattro o otto anni. In tabella 3.9.4 si
mostrano i costi di manutenzione stimati in base ad un funzionamento di 8000 ore all’anno
in termini di energia elettrica prodotta dal sistema per effettuare ispezioni di routine,
revisioni complete e sostituzioni programmate dei componenti;
Tabella 3.9.4
Caratteristiche e prestazioni
Tipo di FC
P.el. nominale (kW)
Costi di gestione (euro/kWh)
Costi variabili di servizi
Costi variabili di consumo
Costi fissi per 8000 ore/anno
Ricambio stack
Vita dell stack (anni)
Coefficiente di recupero
Totale Costi generici e gestione
Sistema 1
PAFC
200
Sistema 2
PEMFC
10
Sistema 3
PEMFC
200
Sistema 4
MCFC
250
Sistema 5
MCFC
2000
Sistema 6
SOFC
100
0.0064
0.0001
0.0006
0.0143
5
30%
0.0215
0.0090
0.0001
0.0017
0.0139
4
50%
0.0247
0.0064
0.0001
0.0006
0.0098
4
35%
0.0169
0.0053
0.0001
0.0004
0.0259
4
30%
0.0318
0.0040
0.0001
0.0002
0.0204
4
20%
0.0247
0.0075
0.0001
0.0010
0.0093
8
20%
0.0179
Il costo di sostituzione dello stack è stato stimato con la formula seguente:
ricambio stack = (stack originale)(1 - coefficiente di recupero)/ (vita dello stack * 8000ore/anno)
La vita dello stack è fornita dal produttore in base alla tipologia di FC mentre il
coefficiente di recupero prende in considerazione il recupero dei catalizzatori, il riciclaggio
delle parti metalliche e il mancato recupero dell’hardware a fine ciclo di vita.
Livello di diffusione e previsioni di mercato
Allo stato attuale esistono pochi sistemi commercialmente disponibili fra cui il più
conosciuto è probabilmente il sistema PAFC da 200 kWe prodotto dalla UTC fuel cells.
Questo sistema, di cui sono state vendute più di 200 unità che hanno complessivamente
funzionato per diversi milioni di ore, mostra con successo le potenzialità delle FC per
penetrare il mercato della generazione distribuita; ciononostante, lo stato dell’arte attuale
delle FC è ancora immaturo e la possibilità per il consumatore finale, di trovare sul
mercato una gamma di prodotti più vasta, pronta all’uso e garantita è ancora lontana molti
anni.
Esempi di realizzazioni
Nel seguito, sono riportati alcuni esempi di applicazione di FC in assetto cogenerativo.
Sulzer Hexis – circa un centinaio di unità Sulzer Hexis da 1kW sono installate presso
abitazioni e piccoli edifici in Germania come parte di un progetto prova.
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Vaillant – l’Unione Europea ha cofinanziato il progetto “Virtual Fuel Cell Power Plant”
che ha previsto l’installazione di 20 unità da 5 kW presso abitazioni familiari in Germania.
Vaillant – Una unità da 5kW sta funzionando presso “Instituti Superior Tecnico”
dell’università di Lisbona.
RWE Fuel Cells – in collaborazione con IdaTech sta testando diverse FC da 5kW presso
residenze civili in Germania.
NedStack Fuel Cell – ha installato una PEMFC da 50 kWe presso il parco Olimpico di
Torino per fornire elettricità e calore ad un edificio dell HyPark.
PlugPower – 20 PEMFC PlugPower GenCore sono installate presso il National Guard
Headquarters in New Mexico come gruppo di continuità per i sistemi di comunicazione
ed elettronici.
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3.10 Sistemi termofotovoltaici (TPV)
Descrizione del sistema
Il sistema termofotovoltaico TPV è un impianto che genera energia elettrica mediante celle
fotovoltaiche sensibili alla radiazione infrarossa irraggiata da un corpo portato a
temperatura di emissione mediante un bruciatore (Fig. 3.10.1).
Fig. 3.10.1 – Schema di sistema termofotovoltaico (TPV)
Il concetto base è dunque quello di far avvenire una combustione controllata all’interno di
una camera di un materiale opportuno che, raggiunta la temperatura di esercizio, emette
una radiazione principalmente infrarossa. Detta radiazione, successivamente filtrata e
condizionata, investe celle sensibili a tale lunghezza d’onda (generalmente di GallioAntimonio o Silicio), che trasformano la radiazione incidente in energia elettrica.
Concettualmente, la realizzazione di un sistema TPV appare semplice. Le complicazioni
derivano dal fatto che i componenti principali devono essere scelti in modo da ottenere un
sistema ben integrato.
Componenti principali e funzionamento
I componenti principali di un sistema TPV sono: (i) sorgente di calore, (ii) emettitore, (iii)
filtro ottico per il controllo dello spettro delle radiazioni emesse, (iv) celle fotovoltaiche.
La sorgente di calore può essere di varia natura ed è strettamente correlata al tipo di
emettitore utilizzato. Se l’emettitore è costituito da una camera di combustione chiusa (i
fumi caldi lambiscono la superficie interna della camera di combustione e non fuoriescono
nell’ambiente in cui sono posizionate le celle fotovoltaiche) il sistema TPV è un sistema a
combustione “esterna” in cui è possibile utilizzare:
•
combustibili convenzionali (anche di qualità non elevata): gas naturale, gasolio, ecc.;
•
combustibili di origine rinnovabile: biomassa legnosa, biogas, syngas, ecc.;
•
sorgenti di calore generiche: calore di scarto, sorgenti nucleari, calore derivante da
concentratori solari.
Se l’emettitore è costituito invece da un bruciatore poroso, la combustione della miscela
aria/combustibile avviene all’interno della matrice porosa stessa del bruciatore e
l’emettitore si porta ad incandescenza attraverso lo scambio di calore tra fumi caldi della
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combustione e matrice porosa. Con questa configurazione il sistema TPV può essere
considerato un sistema a combustione “interna”, in quanto i gas di combustione
fuoriescono nell’ambiente in cui sono posizionate le celle fotovoltaiche: in questo caso è
quindi possibile utilizzare solo combustibili gassosi di qualità medio/alta (ad esempio gas
naturale o combustibili di origine rinnovabile pre-trattati).
Requisito essenziale dell’emettitore è quello di irraggiare ad una frequenza ottimizzata per
le celle fotovoltaiche. Questo può essere ottenuto utilizzando sia emettitori di materiali
composti con presenza di elementi (tipicamente elementi di terre rare quali erbio, itterbio,
ecc.) che emettano ad una frequenza appropriata per le celle utilizzate, sia utilizzando filtri
ottici che permettano di riflettere l’energia radiante che non ha un livello energetico
sufficiente per attivare le celle PV e far passare invece solo la radiazione utile per le celle. I
fotoni non assorbiti dalle PV vengono riflessi verso l’emettitore e/o verso altre zone del
sistema dove possono essere riutilizzati come energia utile.
Le celle fotovoltaiche utilizzate possono essere al Silicio (Si) o al Germanio (Ge), che sono
relativamente meno costose e più diffuse, ma che presentano energia di attivazione elevata
per le applicazioni TPV, oppure a base di Gallio(Ga), Antimonio (Sb), Indio (In) ed
Arsenico (As), che sono più efficienti per le applicazioni TPV, presentano energia di
attivazione inferiore alle precedenti, ma contengono elementi tossici (Sb, As) e la loro
produzione è ancora abbastanza costosa.
Efficienza di un sistema TPV
L’efficienza complessiva di un sistema TPV è definita come il rapporto fra la potenza
elettrica Pe generata dalle celle fotovoltaiche e la potenza fornita con il combustibile Pc e
può essere espresso in funzione delle efficienze dei singoli componenti:
P
η TPV = e = η RAD ⋅η S ⋅η VF ⋅η PV
Pc
dove
ηRAD è il rendimento di irraggiamento, rapporto fra la potenza della radiazione totale che
viene generata da una fiamma, o, come nel caso in esame, dalla superficie emittente di un
bruciatore (relativa allo spettro di emissione complessivo), e la potenza chimica immessa
con il combustibile in ingresso);
ηS è il rendimento spettrale, rapporto fra la potenza della radiazione nell’intervallo di
frequenze che può essere assorbito dalle celle e la potenza totale della radiazione emessa
dalla fiamma o dalla superficie del bruciatore;
ηVF è il fattore di vista, rapporto fra la potenza della radiazione che effettivamente arriva
sulla superficie della cella fotovoltaica (una parte di essa infatti non investe la cella, ma
viene dispersa) e la potenza della radiazione nell’intervallo di frequenze assorbibili dalla
cella stessa;
ηPV è l’efficienza della cella fotovoltaica, rapporto fra la potenza elettrica generata dal
sistema e la potenza della radiazione assorbita dalle celle.
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Schema di un sistema TPV per microcogenerazione e modalità di esercizio
Fig. 3.10.2 – Schema di sistema TPV per microcogenerazione
Un sistema TPV per microcogenerazione è concettualmente rappresentato in Fig. 3.10.2. Si
tratta di utilizzare caldaie per riscaldamento con bruciatore/emettitore a combustione
esterna od interna al quale siano direttamente affacciate le celle fotovoltaiche. Il sistema
viene esercito con una logica di tipo termico-segue: infatti il sistema deve soddisfare il
fabbisogno termico dall’utenza e l’energia necessaria per la generazione di energia
elettrica tramite TPV viene fornita come combustibile extra. I gas caldi vengono quindi
utilizzati per riscaldare gli ambienti e per produrre acqua calda, mentre l’energia elettrica
è un “sottoprodotto” del sistema. Tutto il calore non utilizzato dalle celle per produrre
energia elettrica (asportato dalle celle stesse attraverso un sistema di raffreddamento o
restituito all’emettitore tramite riflessione dal filtro ottico) è utilmente riutilizzato: in
quest’ottica, si può dire che il combustibile extra immesso per la produzione di energia
elettrica viene tutto convertito in energia elettrica.
Comunque, rispetto a tutto il combustibile utilizzato dal sistema microcogenerativo TPV, a
fronte di rendimenti elettrici non elevati (< 10 %), il coefficiente di utilizzo del combustibile
è generalmente superiore al 90% e può sfiorare il 100 % se il sistema utilizza dispositivi che
permettano anche il recupero del calore di condensazione.
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Applicazioni e prestazioni
Il sistema TPV possiede una particolare adattabilità a numerosi settori di nicchia grazie
alla possibilità di operare con range di potenza molto variabili: in particolare, applicazioni
in elettronica (1-2 W), sistemi portatili e batterie (10-50 W), produzione energia on-board
di veicoli (100-300 W), microcogenerazione domestica (1000-3000 W).
I vantaggi ottenibili attraverso un sistema di cogenerazione di questo tipo sono:
versatilità: grazie al processo di combustione esterna è possibile bruciare qualsiasi
tipo di combustibile (gasolio, gas naturale, biogas, ecc);
affidabilità e silenziosità: è una macchina statica, senza parti in movimento e di
conseguenza è silenziosa e non necessità di frequenti e onerosi interventi di
manutenzione;
elevato rendimento di cogenerazione (coefficiente di utilizzo del combustibile >90 %);
rapporto fra energia termica ed elettrica ottimale per soddisfare le esigenze
dell’utenza residenziale/terziaria.
costo competitivo con le tecnologie di cogenerazione di piccolissima scala.
Inoltre la cogenerazione con sistemi TPV nel settore residenziale/terziario comporta anche
alcuni benefici dal punto di vista ambientale:
valori di emissioni (NOX, CO) inferiori rispetto alle tecnologie di riferimento;
possibile ricorso a combustibili di origine rinnovabile;
possibile ricorso a risorse locali;
utilizzo delle infrastrutture esistenti.
Principali sviluppatori
I sistemi termofotovoltaici al momento sono prevalentemente ancora in fase di sviluppo o
prototipale, anche se non manca un esempio di sistema TPV commercializzabile. La
ricerca e sviluppo nel campo è comunque molto attiva, in special modo per quanto
riguarda i sistemi cogenerativi.
JX-Crystal Inc. (USA)
La JX Crytal (http://www.jxcrystals.com/) nasce come produttrice di celle GallioAntimonio (GaSb) e ha costruito un sistema TPV commercializzabile prodotto e venduto
in qualche decina di pezzi. La caldaia è alimentata a propano ed è elettricamente
autonoma. Il modello, illustrato in Fig. 3.l0.3, è denominato Midnight Sun®. La Midnight
Sun ha una potenza termica di 7.3 kWt e tramite celle GaSb riesce a generare 100 We
elettrici sufficienti al suo auto sostentamento; il surplus viene utilizzato per ricaricare
batterie (può essere installato in parallelo con sistemi fotovoltaici solari). Dal 1999 sono
state installate 30 unità per test in opera; la campagna è stata soddisfacente ma, a tutt’oggi,
la JX-Crystal Inc. (USA) ha smesso la produzione e si è orientata verso nuove soluzioni. In
particolare, ha sviluppato un modello (non commerciale) per applicazioni cogenerative
dalla potenza termica di 12.2 kW ed elettrica di 1.5 kW.
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Fig. 3.10.3 – Caldaia Midnight Sun® della JX-Crystal Inc. (USA)
Paul Scherrer Institute (Svizzera)
Il PSI ha sviluppato diverse caldaie TPV, in collaborazione anche con il produttore Hoval.
In particolare, è stata sviluppata un sistema TPV basato su una caldaia con bruciatore
ceramico con presenza di Itterbio che presenta un campo di lavoro variabile tra 12 kWt e
20 kWt. Il rendimento elettrico ottenuto è stato dell’1 %, con potenza elettrica a
disposizione tra 100 We e 200 We (utilizzabile ad esempio per alimentare gli ausiliari della
caldaia stessa).
Lo stesso PSI ha poi sviluppato interessanti applicazioni di sistemi portatili da 30 We e
50 We basati su tipici bruciatori a butano gassoso derivato dall’evaporazione di butano
liquido contenuto in recipienti in pressione (le classiche lampade “da campeggio”) che
hanno raggiunto rendimenti elettrici tra 1.5 % ed il 2.5 %.
Fig. 3.10.4 – Sistemi TPV del Paul Scherrer Institute
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Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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CANMET Energy Technology Centre (Canada)
Molto attivo nello sviluppo di tecnologie e sistemi TPV anche in configurazione
cogenerativa è CANMET Energy Technology Centre (Canada), sebbene abbia ad oggi
sviluppato prototipi e/o dimostratori. Di particolare interesse, un sistema cogenerativo
basato su bruciatori porosi con presenza di Itterbio e utilizzo di celle GaSb che ha
raggiunto efficienze elettriche di circa il 2.5 %. Uno schema del sistema cogenerativo
proposto è riportato in Figura 3.10.5, insieme ad un’immagine del bruciatore.
Fig. 3.10.5 – Sistema cogenerativo TPV proposto dal CANMET
Costi
A tutt’oggi la stima dei costi di un sistema TPV è piuttosto difficile da effettuarsi e poche
sono le applicazioni reali a cui è possibile riferirsi. Nella Tabella seguente sono riportati
alcuni valori indicativi. Nel caso del sistema del Paul Scherrer Institute, una stima della
ripartizione dei costi è riportata in Tabella 3.10.21.
Tabella 3.10.1 Pe
Pt
ηe
ηcog
100 W
1.5 kW
550 W
200 W
7.3 kW
12.2 kW
5.6 kW
20 kW
1.37 %
12.3 %
9.6 %
1.00 %
n.d
n.d
75 %
n.d
Modello
Midnight Sun
JX Crystal1
JX Crystal2
Paul Scherrer Inst.2
Costo
n.d
5250 €
800 €
590 €
n.d.
3500 €/kW
1800 €/kW
2950 €/kW
Costo riferito al sistema complessivo caldaia + sistema TPV (senza inverter)
Costo riferito al solo sistema TPV (senza inverter)
1
2
Tabella 3.10.2 - stima della ripartizione dei costi del sistema TPV del Paul Scherrer Institute
Elemento
Celle
Schermo
Emettitore
Raffreddamento celle
Altro
Descrizione
Costo
Silicio monocristallino
Vetro termico (senza filtraggio)
Tela drogata con Itterbio
Scambiatori ad alette in alluminio
200 €
190 €
62 €
120 €
20 €
(100 €/kWe picco)
Costi di montaggio, componenti minori
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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Previsioni di mercato
La diffusione dei microcogeneratori TPV e strettamente legata alla diffusione dei sistemi
solari fotovoltaici. Infatti lo sviluppo della ricerca sulle celle fotovoltaiche per sistemi
solari, in particolare del tipo a concentrazione, e la diffusione degli stessi su larga scala,
potrà portare nel giro di pochi anni a ricadute, allo stato attuale quantificabili ancora con
incertezza, sia sulla tecnologia delle celle fotovoltaiche sia sui loro costi. Inoltre, i
microcogeneratori TPV ben si prestano ad essere integrati con sistemi solari termici e
fotovoltaici. Infatti permetterebbero di integrare le richieste di energia elettrica e calore
quando non c’è irraggiamento solare, sfruttando in particolare lo stesso inverter del
sistema solare fotovoltaico per trasformate in corrente alternata l’energia elettrica prodotta
in corrente continua dalle celle fotovoltaiche.
Bibliografia
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Coutts, T.J., 2001, An overview of thermophotovoltaic generation of electricity, Solar
Energy Materials & Solar Cells 66, pp.443-452
[2]
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thermophotovoltaics, http://lmn.web.psi.ch/shine/tpv1.htm.
[3]
Tagliaferro, B., Bettocchi, R., Pinelli, M., 2001, Analisi termofluidodinamica di
caldaie a basse emissioni, L’Installatore Europeo, 5, pp. 4-16
[4]
Qiu K., Hayden A.C.S, 2007, Thermophotovoltaic power generation systems using
natural gas-fired radiant burners, Solar En. and Mat. Solar Cells, vol. 91, pp. 588–596.
[5]
Qiu K., Hayden A.C.S, 2003, Performance of low bandgap thermophotovoltaic cells
in a small cogeneration system, Solar En., vol. 74, pp. 489–495.
[6]
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using InGaAsSb and GaSbTPV cells in combustion-driven radiant sources, Solar En. and
Mat. Solar Cell , vol. 90, pp. 68–81, 2006.
[7]
Palfinger, G., Bitnar, B., Durisch, W. , Mayor, J.-C., Grützmacher, D., Gobrecht, J.,
2003, Cost estimate of electricity produced by TPV, Semicond. Sci. Technol., vol. 18, pp. 254
– 261.
[8]
Bitnar, B., 2002, Silicon, germanium and silicon/germanium photocells for
thermophotovoltaic applications, Semicon.Sci.Technol. 18 , pp. 221-227.
[9]
Durisch, W., Bitnar, B., von Roth, F., Palfinger, G., 2003, “Small thermophotovoltaic
prototype systems”, Solar Energy 75 (June 2003).
[10] Durisch, W., Bitnar, B., Mayor, J-C., von Roth, F., Sigg, H., Tschudi, H.R., Palfinger,
G., 2003, “Small self-powered grid-connected thermophotovoltaic prototype system”,
Applied Energy 74, pp. 149-157.
[11] Fraas, L.M., Ballantyne, R., Ye SZ Hui, S., , Gregory, S., Keyes, J., Avery, J., Lamson,
D., 1998, “Commercial GaSb cell and circuit development for the midnight sun® TPV
stove”, Proceedings of the 4th NREL Conference on Thermophotovoltaic generation of electricity,
p.480.
[12] Fraas, L.M., Avery, J.E., Huang H.X., 2003, “Thermophotovoltaic furnace-generator
for the home using low bandgap GaSb cells”, Semicon.Sci.Technol., 18, pp. 247-253.
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4. Tecnologie elettriche e non elettriche per la produzione del
freddo e del caldo
4.1 Frigoriferi ad azionamento elettrico e meccanico
L’impiego di frigoriferi ad azionamento elettrico o meccanico rappresenta la tecnologia
più diffusa e consolidata per la produzione dell’energia frigorifera. In entrambi i casi si
parla anche di frigoriferi a compressione, in quanto il componente essenziale della
macchina è un compressore che può essere azionato da un motore elettrico, oppure può
essere trascinato impiegando direttamente l’energia meccanica fornita da un albero
motore.
Figura 4.1.1: Esempio di gruppo frigorifero a compressione
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
Un impianto frigorifero ad azionamento elettrico o meccanico23 ha lo scopo di asportare
calore da un ambiente da raffreddare (sorgente fredda) cedendo tale calore ad un
ambiente che si trova a temperatura superiore (sorgente calda). Il trasferimento di calore
avviene mediante un fluido intermedio (fluido frigorifero) che asporta calore dalla
sorgente fredda evaporando e cede poi tale calore alla sorgente calda condensando. Uno
schema di impianto è mostrato in figura 4.1.2, dove sono visibili i componenti essenziali
della macchina frigorifera a compressione: l’evaporatore, il compressore (C), il
condensatore e la valvola di laminazione (V). Dunque il fluido operatore percorre un ciclo
chiuso nell’impianto: tra l’evaporazione e la condensazione è interposta una fase di
compressione, che eleva la pressione e la temperatura del fluido; nel ramo di ritorno tra la
condensazione e l’evaporazione viene realizzata una laminazione, che riporta il fluido
nelle condizioni iniziali.
23
simile per molti aspetti ad un impianto a pompa di calore - alcuni modelli in commercio sono sistemi
reversibili in grado di funzionare come frigorifero o come pompa di calore
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In base al II principio della termodinamica, il trasferimento di calore da una sorgente
fredda ad una sorgente a temperatura superiore non avviene spontaneamente ma richiede
una spese energetica, costituita dal lavoro necessario per azionare il compressore.
QC
log p
CONDENSATORE
7
4
6
5
4
C
EC
V
7
p(TC)
p(TF)
EVAPORATORE
1
1
2
3
3
h
QE
Figura 4.1.2
Figura 4.1.3
Il ciclo termodinamico descritto dal fluido è rappresentato in Figura 4.1.3 in un
diagramma termodinamico (log p - h). Lungo la trasformazione 1-2 avviene lʹevaporazione
del fluido, alla pressione (e temperatura) inferiore del ciclo. Il calore di evaporazione del
fluido viene prelevato dallʹambiente (sorgente fredda) che si trova a temperatura TF. Il
vapore saturo esce dall’evaporatore leggermente surriscaldato (punto 3) e viene poi
compresso mediante la trasformazione 3-4 che riporta il fluido ad una temperatura
superiore a quella della sorgente calda (TC). La trasformazione entro il condensatore
consiste in un raffreddamento isobaro, comprendente un desurriscaldamento (4-5) e la
condensazione fino alle condizioni di liquido saturo (6); in genere l’impianto è dotato
anche di uno scambiatore ulteriore in cui si ha un leggero sottoraffreddamento del liquido
fino alle condizioni 7. Il ciclo quindi si chiude con la laminazione isoentalpica (7-1), in cui
si riduce la pressione fino al valore minimo, riportando il liquido ad una temperatura
inferiore a quella della sorgente fredda.
Risulta evidente che l’adozione di un leggero surriscaldamento del vapore prima
dellʹaspirazione nel compressore evita il pericolo di ingresso di liquido nella macchina,
così come il sottoraffreddamento dopo la condensazione (6-7) aumenta la percentuale di
liquido al termine della laminazione, con conseguente aumento della quantità di calore
asportata alla sorgente fredda. In alcuni casi la compressione è suddivisa in due stati, con
interrefrigerazione: questa pratica riduce la spesa energetica a parità di calore sottratto alla
sorgente fredda e permette anche di ridurre la quantità di fluido nell’impianto.
Poiché i livelli di temperatura delle sorgenti calde e fredde, benché dipendenti dalla
particolare applicazione, sono abbastanza ridotti (la TC è in genere dell’ordine di 15-40°C
mentre la TF può essere circa 15-20°C per sistemi di condizionamento ambientale oppure
inferiore a 0°C, anche di alcune decine di gradi, nelle applicazioni di refrigerazione) si
impiegano in tali impianti fluidi particolari (fluidi frigoriferi, di tipo organico, derivanti da
trasformazioni di idrocarburi), in grado di assicurare pressioni operative superiori alla
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pressione atmosferica alle temperature ridotte caratteristiche del ciclo frigorifero ed esenti
da problemi di congelamento nell’impianto.
I compressori impiegati negli impianti frigoriferi sono prevalentemente di tipo
volumetrico e possono presentare architetture molto diverse: compressori alternativi, a viti
(dotati di maggiore silenziosità, molto impiegati nelle macchine di taglia maggiore),
rotativi a palette (con elevata compattezza) o rotativi di tipo scroll (in grado di realizzare
rendimenti volumetrici maggiori). Recentemente sono stati sviluppati anche compressori
dinamici a flusso centrifugo per impieghi in frigoriferi di grossa taglia, accoppiati con
motori elettrici funzionanti a numero di giri variabile.
L’evaporatore e il condensatore sono altri componenti essenziali la cui struttura è
differente a seconda del fluido secondario con cui si opera: in particolare si distingue tra
impianti frigoriferi acqua/acqua, aria/acqua o aria/aria. Se gli scambiatori sono ad aria in
genere i tubi del fluido frigorifero sono alettati e per incrementare lo scambio termico si
può avere una ventilazione assistita. Nel caso di scambio con acqua si possono avere
scambiatori a tubo coassiale o a piastre o a fascio tubiero per taglie superiori.
Le prestazioni frigorifere del sistema
Le prestazioni di un gruppo frigorifero a compressione vengono quantificate con un indice
adimensionale detto EER (Energy Efficiency Ratio), che rapporta la potenza frigorifera
sottratta all’ambiente da raffreddare alla potenza (meccanica o elettrica) spesa nella
compressione: EER = QF / PC.
L’indice EER dipende dalla tecnologia della macchina (fluido impiegato, tipologia di
compressore, eventuale inter-refrigerazione, ecc.) e assume in genere valori superiori per
macchine acqua/acqua (EER nel range 3.5÷6), rispetto ai valori tipici di macchine aria/aria
(EER = 2÷4). Per data macchina,
l’EER varia in base alle condizioni EER 6
5
operative effettive: la Fig. 4.1.4
5
mostra l’effetto della temperatura
4
4
sull’EER per una tipica macchina
frigorifera
a
compressione
3
3
acqua/acqua;
le
prestazioni
2
2
energetiche dipendono anche dal
carico: a carico frigorifero ridotto
1
1
rispetto
al
valore
nominale
l’efficienza della macchina tende
0
0
10
15
20
25
30
35
40
45
tipicamente a calare se l’impianto è
Temperatura ambiente [°C]
on-off e non è dotato di inverter.
Figura 4.1.4
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Analisi del mercato e costi
In commercio si trovano macchine frigorifere di numerosi costruttori (tra cui York, Berg,
Frick, Trane, Power Pac, ecc.) con potenze frigorifere che vanno da pochi kWf delle
macchine di piccola taglia a 50-500 kWf delle macchine di taglia intermedia, fino a 5005000 kWf delle macchine industriali di grossa taglia. I costi dei gruppi frigoriferi risentono
dell’effetto taglia e del tipo di tecnologia di compressione e di raffreddamento del
condensatore, come illustrato in figura 4.1.5 che riporta il costo specifico di diverse
famiglie di macchine commerciali; a questi sono da aggiungere i costi di manutenzione
ordinaria, fortemente legati alla taglia, nonché gli eventuali costi per i controlli periodici
previsti dai Regolamenti (CE) 842/2006 e 1516/2007 per le apparecchiature che utilizzano
gas fluorurati ad effetto serra.
Costo specifico [€/kW]
500
400
raff. ad aria (comp. scroll e alternativi)
400
300
300
200
raff. ad aria
(comp. a vite)
200
100
100
raff. ad acqua (comp. scroll e alternativi)
0
0
1
10
100
1000
Potenza frigorifera [kW]
Figura 4.1.5
4.2 Frigoriferi ad assorbimento
Il frigorifero ad assorbimento è un sistema più complesso del sistema a compressione, ma
a differenza di quest’ultimo presenta alcune caratteristiche funzionali che lo rendono
interessante per applicazioni di tipo co/tri-generativo.
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
Un impianto frigorifero ad assorbimento è un sistema che trasferisce calore da una
sorgente fredda ad una sorgente calda mediante l’impiego di una ulteriore quantità di
calore QAss fornito al sistema da una sorgente a temperatura elevata (maggiore dei quella
della sorgente calda), come evidenziato in Figura 4.2.1. La sorgente di calore che fornisce
QAss può essere costituita da un bruciatore di combustibile (assorbitore a fiamma diretta)
oppure da un sistema di recupero di calore (mediante olio diatermico, acqua o vapore): in
quest’ultimo caso è possibile l’accoppiamento tra l’assorbitore ed un impianto
cogenerativo, per impiego tri-generativo.
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Figura 4.2.1
Il frigorifero ad assorbimento si basa sull’impiego di una miscela binaria di fluidi, ad
esempio una soluzione di acqua e bromuro di litio (H2O-BrLi), oppure ammoniaca ed
acqua (NH3- H2O): la prima delle due sostanze della miscela si comporta come fluido
refrigerante e la seconda come solvente, in cui il refrigerante è disciolto in concentrazione
più o meno elevata a seconda del punto dell’impianto.
L’impianto, rappresentato in modo schematico in figura 4.2.1, presenta i seguenti
componenti essenziali:
• un evaporatore, nel quale si ha la sottrazione di calore dall’ambiente da raffreddare
con l’evaporazione del fluido refrigerante;
• un assorbitore, nel quale il refrigerante evaporato (fortemente concentrato) viene
riassorbito dalla soluzione (diluita) grazie ad una differenza di concentrazione e con
un raffreddamento con fluido esterno (non mostrato in figura);
• una pompa che invia la soluzione dall’assorbitore al desorbitore e aumenta la
pressione del fluido;
• un desorbitore (anche detto generatore), presso il quale la soluzione, rilascia una
frazione di soluto per evaporazione, grazie ad un flusso di calore proveniente
dall’esterno;
• un condensatore, dove il vapore, proveniente dal desorbitore, viene condensato,
con trasferimento di calore all’esterno (sorgente calda), mediante il medesimo
fluido esterno che ha operato il raffreddamento presso l’assorbitore; spesso il fluido
vettore di raffreddamento è acqua, inviata in una apposita torre di raffreddamento;
• una valvola di laminazione, che riporta il fluido nell’evaporatore e ne riabbassa la
pressione.
L’impianto può presentare anche altri componenti: ad esempio, nel caso di impiego di
ammoniaca, si rende necessario l’impiego di una colonna di rettifica, che separi il vapore
di NH3 da quello di H2O (Figura 4.2.2).
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Sezione alta
pressione
Sezione bassa
pressione
Ammoniaca
liquida
CONDENSATORE
Acqua di
raffreddamento
Fluido o gas da
raffreddare
Vapore di
ammoniaca
COLONNA DI
RETTIFICAZIONE
Soluzione
ricca di NH3
EVAPORATORE
ASSORBITORE
Acqua di
raffreddamento
Pompa
Energia
primaria
DESORBITORE
Soluzione
povera di
NH3
CIRCUITO
SOLUZIONE
Figura 4.2.2 - (Fonte Baxter: www.baxterenergy.com)
Una variante ulteriore è costituita dall’impianto ad assorbimento a doppio effetto, che
differisce dall’impianto a semplice effetto sopra descritto essenzialmente per la presenza
di due desorbitori posti in cascata (si veda la figura 4.2.3): l’impianto a doppio effetto
utilizza nel desorbitore che funziona a temperatura inferiore il calore reso disponibile al
condensatore di livello termico superiore. In genere l’impianto a doppio stadio viene
alimentato da una sorgente termica esterna (eventuale calore di scarto di un motore
cogenerativo soprastante) a temperatura maggiore (> di 150-200°C) rispetto al caso a
semplice effetto (dove le temperature di alimentazione sono tra 60°C e 130°C). Sono stati
ipotizzati anche impianti a triplo effetto che potrebbero funzionare con temperature di
alimentazione tra 160°C e 300°C, fornendo prestazioni superiori.
Figura 4.2.3 - layout di impianto ad assorbimento a semplice effetto (sin.) e a doppio effetto (des.)
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Le prestazioni frigorifere del sistema
Gli impianti frigoriferi ad assorbimento ad acqua/BrLi consentono di raggiungere
temperature di raffreddamento limitate (superiori a 0°C per evitare problemi di
congelamento del refrigerante) adatte per un impiego nell’ambito del raffrescamento,
mentre gli impianti ad ammoniaca consentono di ottenere temperature tipiche della
refrigerazione fino a -40°C÷-60°C. Le prestazioni di un impianto frigorifero ad
assorbimento vengono generalmente indicate con un indice EER definito, in questo caso,
come rapporto tra potenza frigorifera utile e potenza termica introdotta: EER = QF / QAss. I
valori dell’EER per le macchine a semplice effetto sono tipicamente inferiori ad 1: più
precisamente l’EER è variabile nel range 0.6÷0.75, con valori superiori per le macchine a
bromuro di litio rispetto a quelle ad ammoniaca; per le macchine a doppio effetto l’EER
può raggiungere valori superiori all’unità, in genere nel range 1.1÷1.3. Si tenga presente
che le prestazioni variano se la macchina funziona a carico parziale: in Fig. 4.2.4 si riporta
il legame tra carico frigorifero ed energia entrante nell’impianto, sia per un frigorifero ad
assorbimento sia a compressione; la bisettrice corrisponde ad un comportamento ideale ad
EER costante al variare del carico. Si osserva che una macchina ad assorbimento mostra un
minore consumo rispetto ad una macchina a compressione ed in particolare l’EER del
frigorifero ad assorbimento a carico parziale può risultare superiore al corrispondente
valore a pieno carico. Ciò è dovuto all’assenza, nei frigoriferi ad assorbimento, di
macchine con parti in movimento (escludendo la pompa il cui contributo è poco
significativo), le cui prestazioni decadono sempre ai carichi parziali, ed inoltre
all’incremento di efficienza di scambio negli scambiatori del sistema quando questo opera
con portate inferiori a quelle di progetto.
C onsumo rispetto al nominal e [%]
100
80
Vit e
Centrifugo
60
40
Assorbitore
20
0
0
20
40
60
Carico rispetto al nominale [%]
80
100
Figura 4.2.4
La figura 4.2.5 mostra invece che le prestazioni del frigorifero ad assorbimento, in termini
di potenza utile frigorifera, variano al variare della temperatura dell’utenza frigorifera ed
al variare della temperatura di raffreddamento a cui avviene la condensazione (sorgente
calda).
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120
24°C
26°C
28°C
Carico [%]
110
30°C
32°C
100
90
Temperatura acqua
condensatore
80
5
6
7
8
9
10
11
12
Temperatura dell'acqua refrigerata [%]
Figura 4.25 - (Fonte Broad: www.broad.com)
Principali costruttori e modelli sul mercato
Le tabelle 4.2.1 e 4.2.2 riportano i dati relativi a diverse macchine presenti sul mercato
dalle maggiori case costruttrici del settore: BROAD, BAXTER (che commercializza in Italia
le marche COLIBRI, LG CABLE, NISHIYODO), ROBUR, RCGROUP, TRANE, YAZAKIMAYA, YORK, CARRIER-SANYO. In particolare sono riportati i valori delle potenze
frigorifere e dell’indice di prestazione nominale (EER), i livelli termici dell’utenza ed altre
caratteristiche essenziali, tra cui la tipologia di sorgente calda esterna impiegabile. Le
taglie disponibili sono variabili da circa 10÷20 kWf fino a diversi MWf. Nel caso dei gruppi
a doppio stadio, quando disponibili sono forniti anche alcuni dati relativi al
funzionamento in modalità pompa di calore (per riscaldamento).
I costi di una macchina ad assorbimento variano in funzione della taglia, potendo
assumere valori intorno a 500÷600 €/kW per piccole macchine con potenze frigorifere di
poche decine di kW, valori di 200÷300 €/kW per macchine di media potenza e valori tra
100 e 150 €/kW nel caso di macchine più grandi (oltre 1 MW).
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Tabella 4.2.1 – modelli di frigoriferi ad assorbimento mono stadio
Costruttore
Modelli
BROAD
Systema
BDH
BDS
BDE
ARP-S
COLIBRI
Baxter
Potenze
frigorifere
(kWf)
104÷÷23260
EER
0.74
Temperature
acqua refrigerata
(°C)
7÷12
100÷600
0.4
0÷-50
Sorgente
di calore esterna
Miscela
binaria
Raffreddamento
Funzionam. in
riscaldamento
Taglie
Acqua
No
24
Acqua
No
6
Acqua calda 75-120°C,
H2O/BrLi
vapore 0.01-0.2 MPa,
fumi di scarico 230-350°C
Acqua surriscaldata,
NH3/ Acqua
vapore, olio diatermico,
gas esausti
Acqua calda
H2O/BrLi
LG CABLE
Baxter
LWM
70÷3000
0.7
4.5÷20
Acqua
No
26
AW
350÷5000
0.7
4.5÷20
Vapore < 2 bar
H2O/BrLi
Acqua
No
22
NISHIYODO
Baxter
ADCM
40÷1800
0.5
3÷20
Acqua calda a soli 60°C
H2O/BrLi
Acqua
No
6
ADLM
90÷258
0.35
0÷-5
Acqua calda
H2O/BrLi
Acqua
No
4
17.5÷87.5
17.5÷69.9
12.8÷64
16.9÷84.5
18.4
35÷282
300÷2288
300÷4928
0.73
0.73
0.54
0.67
0.73
0.73
0.75
0.75
3÷35
3÷35
-10÷35
3÷35
3÷35
4.5÷25
4.5÷25
4.5÷25
NH3/Acqua
NH3/Acqua
NH3/Acqua
NH3/Acqua
NH3/Acqua
H2O/BrLi
H2O/BrLi
H2O/BrLi
Aria
Aria
Aria
Aria
Acqua
Acqua
Acqua
Acqua
No
Si tramite caldaia
No
p.d.c*.
p.d.c.
No
No
No
5
4
5
5
1
6
13
22
S.SEF
300÷4928
0.75
4.5÷25
H2O/BrLi
Acqua
No
22
ABDL
ABSC
ABSD
WFC
350÷3900
335÷1400
2000÷4800
35÷105
1.0
0.63
0.71
0.7
6÷20
4.5÷15
4÷15
5.5÷12.5
Fiamma diretta G.N./GPL
Fiamma diretta G.N./GPL
Fiamma diretta G.N./GPL
Fiamma diretta G.N./GPL
Fiamma diretta G.N./GPL
Acqua calda (75-110°C)
Acqua calda (75-110°C)
Acqua surriscaldata a
media temperatura (110150°C)
Vapore a bassa pressione
(0.5-3 bar)
Fiamma diretta G.N./GPL
Vapore/Acqua
Vapore/Acqua
Acqua calda (75-95°C)
H2O/BrLi
H2O/BrLi
H2O/BrLi
H2O/BrLi
Acqua
Acqua
Acqua
Acqua
Si
No
No
No
18
12
8
3
YIA HW/ST
420÷4850
0.6÷0.8
4.4÷16
Acqua calda o surrisc.,
vap. a bassa p (1 bar rel.)
H2O/BrLi
Acqua
No
21
GA, ACF-RTCF
GA, AYF-RTYF
GA, ACF-RTCF LB
GAHP mod. AR
GAHP mod. W
W.COG
THERMAX
Rc group
W.LTE
W.MTE
ROBUR
TRANE
YAZAKI
Maya
YORK
Tabella 4.2.2– modelli di frigoriferi ad assorbimento a doppio stadio
Potenza
frigorifera
(kWf)
EER
Temp. acqua
refrigerata (°C)
Modelli
BROAD
Systema
BZ, BCT,
BS, BH,
BE, BZS,
BZH,
BZE,
BZHE
16÷23260
1-1.39
7÷12
H2O/BrLi
ARP-M
500÷2500
0.4
0÷-50
NH3/ H2O
ARP-C
>1500
0.4
0÷ -60
NH3/ H2O
LDF
175÷3000
1.2
4.5÷20
H2O/BrLi
LSH
350÷5000
1.2
4.5÷20
H2O/BrLi Vapore >3.5 bar
COLIBRI
Baxter
LG CABLE
Baxter
THERMAX
Rc group
TRANE
YAZAKI
Maya
YORK
*
Potenza
termica
(kW)
Temp. acqua
calda (°C)
Taglie
Si
16-17933
57÷60°C per
mod. fino a
115kW;
65÷67°C per
mod. da 174
kW a 23 MW
30
No
-
-
10
No
-
-
Su
misura
Si
175-5000
50÷60°C
27
Acqua
No
-
-
23
Acqua
No
-
-
22
Acqua
No
-
-
24
Acqua
Acqua
Acqua
Si
Si
No
107-201
321-1774
-
60 °C max
60 °C max
-
4
12
14
Acqua
Si
86-286
50.5÷57.5°C
6
Acqua
Si
86-286
40 a 60°C
7
Acqua
Si
562-1968
80°C max
9
Acqua
No
-
-
5
Funzionam. in
Miscela Sorgente di calore
Raffreddamento
riscaldamento
binaria
esterna
Costruttore
W.HTE
300÷4928
1.35
4.5÷25
H2O/BrLi
S.DEF
176÷4928
1.35
4.5÷25
H2O/BrLi
G.MOD
G.HEF
ABTF
140÷264
350÷1936
1250÷4450
1.25
1.25
1.21
5÷25
5÷25
4÷15
H2O/BrLi
H2O/BrLi
H2O/BrLi
CH K
105÷352
1.13
5.5÷12.5
H2O/BrLi
YMPC
106÷352
1.1
7÷10
H2O/BrLi
YPC DF
723÷2440
1.1
5÷15.5
H2O/BrLi
YPC ST
1084÷2440
1.2
5÷15.5
H2O/BrLi
Fiamma diretta
(G.N., GPL,
Torre evaporativa
biogas, gasolio), per modelli fino a
acqua 140-200°C, 115 kW e 233
fumi 400-600°C,
kW e 582 kW
Vap. 0.3-0.9 MPa
Acqua surrisc.,
vapore, olio
Acqua
diatermico, gas
esausti
Acqua surrisc.,
vapore, olio
Acqua
diatermico, gas
esausti
G.N., GPL,
Acqua
biogas
Acqua
surriscaldata ad
alta temperatura
(150-200°C)
Vapore ad alta
pressione (4-11
bar)
Fiamma diretta
Fiamma diretta
Vapore/Acqua
Fiamma diretta
G.N./GPL
Fiamma diretta
G.N. - Gasolio
Fiamma diretta
G.N.
Vapore<8 bar rel.
Pompa di calore
________________________________________________________________________________
166
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
4.3 Desiccant cooling
Il sistema noto come “desiccant cooling” (o raffreddamento con sostanze essiccanti) è
utilizzato per il condizionamento estivo dell’aria di ambienti interni. Poiché il sistema
richiede un flusso termico dall’esterno, si può pensare di utilizzare parte del calore
scaricato da un sistema energetico posto a monte. Uno dei vantaggi del sistema è quello di
poter realizzare un effetto frigorifero senza la necessità di impiegare fluidi frigoriferi. In
particolare il sistema si basa su un ciclo aperto funzionante con aria umida.
Descrizione del sistema e componenti fondamentali
Il sistema di “desiccant cooling” è rappresentato in figura 4.3.1 ed il relativo diagramma
psicrometrico dell’aria umida è presentato in figura 4.3.2: l’impianto presenta una linea di
entrata dell’aria dall’esterno verso l’ambiente da condizionare ed una seconda linea di
uscita. Le due linee non sono completamente separate: è previsto uno scambio di calore,
mediante un rigeneratore che trasferisce calore dall’aria entrante a quella uscente, ed uno
scambio di massa d’acqua, mediante un deumidificatore igroscopico (con sostanze
chimiche “silica gel”); quest’ultimo abbassa l’umidità della corrente entrante, sottraendo
acqua, ed incrementa l’umidità dell’aria uscente, cedendole l’acqua sottratta alla corrente
di aria entrante.
Più in dettaglio, l’aria esterna entra in un deumidificatore, posto sulla linea di entrata,
dove viene inizialmente deumidificata ed anche riscaldata (trasformazione 1-2); quindi si
ha il passaggio in un rigeneratore che raffredda l’aria senza variarne il contenuto di acqua
(2-3). Successivamente si effettua l’umidificazione (3-4) con un sistema evaporativo che
abbassa anche la temperatura dell’aria. L’aria dell’ambiente interno da condizionare viene
prelevata ed inviata nella linea di uscita dove si ha in primo luogo un raffreddamento
evaporativo (5-6); l’aria viene successivamente riscaldata (6-7) dal rigeneratore che utilizza
il calore contenuto nell’aria esterna nello stato 3; un ulteriore riscaldamento dell’aria
avviene mediante uno scambiatore (7-8) che è alimentato con calore da una terza sorgente
calda. Infine l’aria, prima di essere espulsa nell’ambiente esterno, attraversa il
deumidificatore igroscopico che trasferisce acqua alla corrente d’aria calda rigenerandosi
(8-9). Il riscaldamento dell’aria attraverso il riscaldatore (7-8) è necessario per ridurre
l’umidità relativa dell’aria stessa - che in tal modo è in grado di assorbire una maggior
quantità di acqua - prima che questa venga utilizzata per rigenerare il deumidificatore.
________________________________________________________________________________
167
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
80%
60%
Temp.
bulbo umido
[°C] 30
20
15
4
30
7
6
25
40%
9
8
20
5 1
2
3
10
UR=20%
10
Titolo [g
H2O
40
aria secca
100%
/kg
50
]
Figura 4.3.1 – layout del sistema
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperatura (bulbo secco) [°C]
Figura 4.3.2 – diagramma psicrometrico del sistema
Le prestazioni di tali impianti vengono indicate in termini di EER, definito come rapporto
tra la potenza refrigerante netta ottenuta e la potenza termica fornita in riscaldamento
(EER=QF/QR). L’indice EER ottenibile può raggiungere un valore paria ad 1, ma più
frequentemente si colloca nell’intervallo 0.5÷0.6, e dunque si tratta di valori inferiori ai
valori dell’EER di impianti ad assorbimento; tuttavia, come vantaggi nel caso del desiccant
cooling vi è assenza di fluidi pericolosi.
L’impianto richiede anche energia elettrica per i ventilatori che movimentano l’aria nella
corrente di ingresso e in quella di uscita e per l’azionamento del rigeneratore e del
deumidificatore, che sono costituiti da elementi rotanti (figura 4.3.3) attraversati dai due
________________________________________________________________________________
168
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
flussi di aria. Il rapporto tra l’energia frigorifera utile e l’energia elettrica richiesta
dall’impianto assume valori intorno a 5÷6.
Uno dei principali problemi che tale sistema presenta risiede nelle basse velocità di
attraversamento del deumidificatore, necessarie per operare efficacemente; ciò comporta
un limite alla portata d’aria elaborata, e quindi alla potenza in gioco, a meno di non
accettare sistemi di grosse dimensioni.
Figura 4.3.3
L’integrazione con un sistema cogenerativo può avvenire a condizione che il flusso di
calore sia reso disponibile ad una temperatura compatibile con le esigenze del desiccant
cooling: in particolare, la temperatura dell’aria riscaldata uscente dal riscaldatore ed
entrante nella ruota deumidificatrice deve essere tipicamente di 60÷70°C, ma con effetto
utile già a partire da 50°C. Per questo motivo sono stati ipotizzati alcuni impianti basati
sull’impiego di pannelli solari termici.
Livello di diffusione e macchine in commercio
I sistemi in commercio occupano attualmente solo una nicchia di mercato e vengono
installati solo in applicazioni in cui è richiesto un controllo accurato dell’umidità ambiente.
Le poche macchine in commercio sono limitate a potenze di alcune decine di kW fino a
qualche centinaio di kW.
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169
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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4.4 Pompe di calore ad azionamento elettrico e meccanico
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
Le pompe di calore sono sistemi che hanno lo scopo di fornire calore ad un ambiente da
riscaldare (sorgente calda) sottraendolo da un ambiente a più bassa temperatura (sorgente
fredda). Possono essere impiegate per il riscaldamento, produzione di acqua calda
sanitaria e per tutti quei processi che necessitano di calore a bassa temperatura. Esistono in
commercio sistemi reversibili in grado di funzionare sia come pompa di calore sia come
frigorifero.
Un impianto a pompa di calore, analogamente ad un impianto frigorifero, deve quindi
essere in grado di trasferire calore da una sorgente a più bassa temperatura (sorgente
fredda) ad una a temperatura superiore (sorgente calda). Nel caso delle pompe di calore
l’effetto utile è rappresentato dal calore ceduto alla sorgente calda, mentre nel caso dei
frigoriferi, descritti nei par. 4.1 e 4.2, l’effetto utile consiste nel calore sottratto alla sorgente
fredda.
Una pompa di calore ad azionamento elettrico o meccanico, analogamente al frigorifero
descritto nel par. 4.1, si compone essenzialmente di un circuito all’interno del quale scorre
un fluido frigorifero che compie un ciclo termodinamico inverso. Il fluido refrigerante allo
stato di vapore leggermente surriscaldato viene compresso e inviato al condensatore, dove
condensa, cedendo calore alla sorgente calda, costituita da acqua o aria. L’acqua o l’aria
così riscaldate sono utilizzate come fluido vettore per il riscaldamento dei locali o
dell’acqua sanitaria. Il fluido frigorifero, dopo essere stato condensato, viene fatto
laminare in una valvola (mantenendo inalterata la sua entalpia) e portato alla pressione
dell’evaporatore. Nell’evaporatore il fluido frigorifero evapora assorbendo calore dalla
sorgente fredda, che può essere aria o acqua. Nel caso questa sia aria, essa viene aspirata a
temperatura ambiente e convogliata sull’evaporatore mediante un ventilatore. L’aria viene
così raffreddata di 4-6 °C ed espulsa, mentre il fluido refrigerante ne assorbe l’energia
termica.
In base al II principio della termodinamica, il trasferimento di calore da una sorgente
fredda ad una sorgente a temperatura superiore non avviene spontaneamente ma richiede
una spese energetica, costituita dal lavoro necessario per azionare il compressore.
Prestazioni e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Le prestazioni delle pompe di calore ad azionamento elettrico o meccanico vengono
quantificate con un indice adimensionale detto COP (Coefficient Of Performance), che è il
rapporto tra l’effetto utile (la potenza termica ceduta alla sorgente calda) e la potenza
(elettrica o meccanica) spesa per ottenerlo; con riferimento alla Fig. 4.1.2:
COP = Qc / PC = (QF + PC) / PC = EER + 1.
Il COP è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di
funzionamento, ed ha, in genere, valori compresi tra 2.5 e 6, con i valori minori che sono
relativi alle pompe di calore aria/aria e aria/acqua e i maggiori che sono relativi alle pompe
di calore acqua/acqua. L’efficienza sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura
________________________________________________________________________________
170
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
della sorgente calda a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta è la
temperatura della sorgente fredda da cui viene assorbito (nell’evaporatore). In Fig. 4.4.1 è
riportato l’andamento del COP in funzione della temperatura della sorgente fredda per tre
diverse temperature della sorgente calda. Nel caso di utilizzo delle pompe di calore per il
riscaldamento degli ambienti si possono avere impianti di tipo:
•
monovalente, quando la pompa di calore è in grado di coprire interamente il
fabbisogno termico necessario al riscaldamento degli ambienti; se la pompa di calore
utilizza come sorgente fredda l’aria esterna, tale configurazione è adottabile nelle
zone climatiche dove la temperatura esterna scende raramente al di sotto di 0 °C;
•
bivalente, costituito dalla pompa di calore e da un sistema di riscaldamento ausiliario
(caldaia tradizionale) che copre il fabbisogno termico quando la temperatura dell’aria
scende a valori troppo bassi (al di sotto di 0°C).
Le pompe di calore vengono principalmente utilizzate nelle abitazioni residenziali, dove
possono essere installate in cantina o nel locale caldaia, e nel settore terziario e industriale,
dove le potenze richieste generalmente necessitano di pompe di calore da installare
all’esterno, solitamente con sorgente fredda ad aria e caldaia di integrazione. Il calore
prodotto è generalmente disponibile ad una temperatura compresa tra i 35 e i 50°C.
Inoltre, nel caso di pompe di calore reversibili, queste hanno una capacità di
raffrescamento di poco inferiore a quella di riscaldamento, fornendo acqua fino a 3-7 °C.
6.0
COP
Temp. sorgente calda (condensatore): 45 °C
5.0
4.0
55 °C
3.0
65 °C
2.0
1.0
-5
0
5
10
Temperatura sorgente fredda (evaporatore) [°C]
15
Fig. 4.4.1 – COP in funzione della temperatura della sorgente fredda
per tre diverse temperature della sorgente calda (dati Viessman).
________________________________________________________________________________
171
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unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Principali costruttori e modelli sul mercato
I principali costruttori presenti sul mercato italiano con i loro prodotti sono: Aermec,
Climaveneta, Daikin, Galletti, Hitachi, Mitsubishi, Riello, e Viessman.
In tabella 4.4.1 sono riportati i dati relativi alle pompe di calore in commercio, sia di tipo
aria/acqua sia acqua/acqua. Queste hanno la possibilità di produrre acqua calda fino a
temperature di circa 50-55 °C e, nel caso di macchine reversibili, acqua fredda a
temperature di circa 3-7 °C (alcuni modelli presentano tuttavia la possibilità di avere
temperature dell’acqua in uscita inferiori a 0 °C utilizzando soluzioni con glicole). Nella
tabella 4.4.1 vengono riportati per ogni modello:
•
il fluido refrigerante
•
la tipologia pompa di calore
•
il range di potenza in modalità riscaldamento (kW)
•
il range di potenza in modalità frigorifera per le macchine reversibili (kW)
•
il valore del COP medio
il valore dell’EER medio per le macchine reversibili
•
•
la temperatura minima dell’acqua refrigerata
•
la temperatura massima dell’acqua riscaldata
Tabella 4.4.1 – Prestazioni pompe di calore ad azionamento elettrico o meccanico
Potenza [kW]
Costruttore
Aermec
Aermec
Aermec
Aermec
Aermec
Aermec
Aermec
Climaveneta
Climaveneta
Climaveneta
Climaveneta
Climaveneta
Climaveneta
Modello
NRA
(275HL-350HL,
500H-750H)
NRA
(800H-3600H)
NRC
(275H-1000H)
RV-H
(0601-1802)
NLW
(0500-1000)
WSA
(0701-2802)
NW
(0601-1601)
NECS-CN
(0152-1204)
RECS
(1062-2722)
ERACS-R
(1062-2722)
ERACS-Q
(1062-2722)
HRAQ
(0152-1204)
NECS-WN
(0152-1204)
Temp. acqua [°C]
Fluido
Tipo
risc.
refr.
COP
EER
min(*)
max
R407C
aria/acqua
58-202
51-177
2.54-2.74
2.54-2.86
4 (- 6)
50
R407C
aria/acqua
230-1068
196-938
2.57-2.71
2.2.42-2.59
4 (- 6)
50
R407C
aria/acqua
58-295
46-264
2.54-2.74
2.54-2.86
4 (- 6)
50
R407C
aria/acqua
146-460
124-414
2.40-2.73
2.35-2.68
4 (- 6)
50
R407C
acqua/acqua
115-340
107-307
3.25-3.43
4.04-4.12
-6
50
R134A
acqua/acqua
191-767
179-715
4.36-4.55
4.82-5.11
-6
50
R407C
acqua/acqua
172-530
157-455
3.13-3.21
3.64-3.82
-6
50
R410A
aria/acqua
42-135
36-119
3.08-3.24
2.61-2.78
5 (- 8)
55
R134A
aria/acqua
212-695
195-660
2.89-3.26
2.49-2.96
5 (- 8)
55
R134
aria/acqua
R134A
aria/acqua
212-695
195-660
2.89-3.26
2.48-2.96
5 (- 8)
55
R407C
aria/acqua
39.9-325
34.3-287
2.61-2.96
2.14-2.38
5 (- 8)
55
R410A
acqua/acqua
50.5-428
43.4-371
3.91-4.14
4.34-4.53
5 (- 8)
55
________________________________________________________________________________
172
Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
________________________________________________________________________________________________
Potenza [kW]
Costruttore
Daikin
Daikin
Galletti
Galletti
Galletti
Hitachi
Mitsubishi
Mitsubishi
Mitsubishi
Riello
Riello
Riello
Riello
Riello
Viessman
Viessman
Modello
EWYQ
DAYN
(080-250)
EWYD
AJYNN
(260-380)
LCW HS
(055-300)
LCC HS
(50-160)
LCE H
(062-324)
RHUE-AG
(40-120)
PUHY-P
YSHM-A(-BS)
(500-900)
PUHY-P
YSHM-A(-BS)
(950-1250)
PUHY-P
YSHM-A(-BS)
(450-800) R2
RAA-EF SERIE
2C
(0152H-0612H)
RSA-EF SERIE 2C
(0152H-0612H)
RSA-EF SERIE 4C
FLEXIFLOW
(140H-310H)
RSC-EF SERIE 2C
(0152H-0612H)
RSC-E
(0152H-0502H)
300WW
(240-280)
300WW
(240-280)
Temp. acqua [°C]
Fluido
Tipo
risc.
refr.
COP
EER
min(*)
max
R410A
aria/acqua
87.7-284
77-252
2.81-3.00
2.60-2.91
4 (- 10)
50
R134A
aria/acqua
274-412
255-385
2.91-3.09
2.71-2.84
4 (- 10)
55
R407C
acqua/acqua
56.4-333.7
47.3-276.3
3.59-3.66
3.85-4.00
R407C
aria/acqua
54-168
47.2-148.2
2.46-2.62
2.03-2.26
R410A
aria/acqua
70.2-350.8
63.3-313.9
3.10-3.39
2.51-2.94
R407C
aria/acqua
110-312
106-324
R410A
aria/acqua
63-113
56-101
3.71-3.89
3.03-3.68
R410A
aria/acqua
119.5-156.5
108-140
3.71-3.98
3.11-3.52
R410A
aria/acqua
56-100
50-90
3.60-3.80
3.02-3.53
R410A
acqua/acqua
50-215
43-186
3.85-4.18
4.17-4.54
R410A
aria/acqua
42-169
35.8-143
2.73-3.29
2.31-2.83
R407C
aria/acqua
138-325
127-287
2.71-3.13
2.39-2.81
R410A
aria/acqua
42-173
36-154
3.20-3.39
2.72-2.88
R407C
aria/acqua
42-126
37-113
2.57-3.00
2.26-2.67
R407C
aria/acqua
39.6-81.2
30.4-62.3
4.30
3.29-3.31
7
55
R407C
acqua/acqua
52-106.8
42.8-87.8
5.6
4.55-4.65
7
55
(*) temperature dell’acqua fredda in uscita inferiori a 0 °C possono essere ottenute in alcuni modelli utilizzando soluzioni con glicole
Costi di impianto e di manutenzione
I costi delle pompe di calore, in analogia con quelli dei frigoriferi (Fig. 4.1.5), risentono
dell’effetto taglia e del tipo di tecnologia di compressione e di raffreddamento
dell’evaporatore. In Fig. 4.4.2 sono riportati i costi delle pompe di calore aria/acqua e
acqua/acqua di quattro diversi costruttori. Le due curve evidenziate in figura forniscono il
range di costo tipico delle pompe di calore aria/acqua in funzione della taglia termica. Per
quanto riguarda le pompe di calore acqua/acqua, confrontando pompe di calore
aria/acqua e acqua/acqua dello stesso costruttore, si vede come, fino a taglie termiche
superiori a circa 50 KWt, i costi delle pompe di calore acqua/acqua siano in prima
approssimazione circa il 30 % inferiori di quelli delle pompe di calore aria/acqua di pari
potenzialità termica; per taglie inferiori, a causa della minor diffusione delle pompe di
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calore acqua/acqua rispetto a quelle aria/acqua, i costi delle due tecnologie diventano
confrontabili, ed anzi, per le taglie minori, le pompe di calore aria/acqua diventano più
economiche delle acqua/acqua.
Per quanto riguarda i costi di manutenzione questi sono indicativamente dell’ordine di
0.01 Euro per kWh di energia elettrica assorbita; a questi sono da aggiungere gli eventuali
costi per i controlli periodici previsti dai Regolamenti (CE) 842/2006 e 1516/2007 per le
apparecchiature che utilizzano gas fluorurati ad effetto serra.
600
Costruttore 1 (aria/acqua)
Costruttore 2 (aria/acqua)
Costo specifico [Euro/kWt]
500
Costruttore 2 (acqua/acqua)
Costruttore 3 (aria/acqua)
400
Costruttore 4 (aria/acqua)
Costruttore 4 (acqua/acqua)
300
200
100
0
0
50
100
150
200
Ptermica [kWt]
250
300
350
Fig. 4.4.2 – Costi delle pompe di calore aria/acqua e acqua/acqua di quattro diversi costruttori e
range di costo tipico delle pompe di calore aria/acqua in funzione della taglia termica.
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4.5 Pompe di calore ad assorbimento
Descrizione della macchina e componenti fondamentali
Le pompe di calore ad assorbimento, come già sottolineato nel paragrafo 4.2 a proposito
dei frigoriferi ad assorbimento, sfruttano la solubilità e l’elevata affinità tra due sostanze,
di cui una funziona da refrigerante e l’altra da assorbente, per realizzare un ciclo dove
l’energia introdotta è prevalentemente termica. Il lavoro meccanico della pompa è infatti
pari a circa 1 % del calore introdotto nel generatore. Come sorgente termica è possibile
utilizzare il calore generato da una combustione (pompe di calore a fiamma diretta), o, in
alternativa, si può sfruttare il calore proveniente da un’altra fonte, per esempio quello
cogenerato da un motore primo, che viene trasferito al fluido nel generatore mediante uno
scambiatore di calore e un fluido termovettore (acqua, olio diatermico, gas caldi).
Le coppie di fluidi refrigerante/solvente utilizzate sono sostanzialmente due:
•
H2O/LiBr, in cui l’acqua funge da refrigerante e il bromuro di litio da solvente;
•
NH3/H2O, in cui l’ammoniaca funge da refrigerante e l’acqua da solvente; questa
coppia di fluidi richiede uno schema d’impianto più complesso, con la presenza di
una colonna di distillazione per separazione del vapore d’ammoniaca dal vapor
d’acqua.
L’inconveniente principale nell’utilizzo della soluzione H2O/LiBr è costituito dal rischio di
cristallizzazione dei sali di bromuro di litio all’aumentare della temperatura
nell’assorbitore, per cui risulta necessario adottare un raffreddamento ad acqua, realizzato
solitamente mediante torre evaporativa. Inoltre vi è l’impossibilità tecnica a raggiungere
temperature di evaporazione al di sotto di 0 °C, per la formazione di ghiaccio.
La macchina NH3/H2O risulta essere molto adatta anche all’uso come pompa di calore, in
quanto l’ammoniaca viene usata come refrigerante e consente di raggiungere temperature
molto basse (temperature di evaporazione fino a – 60 °C). La macchina ad ammoniaca può
essere raffreddata ad aria, senza incontrare problemi di cristallizzazione in quanto le due
sostanze sono allo stato liquido. Un altro vantaggio risiede nel fatto che l’evaporatore non
opera sottovuoto, per cui non ci sono problemi per un eventuale entrata di aria nel
circuito; tuttavia necessita di un impianto più complesso per la presenza della colonna di
distillazione (rettificatore) per la separazione dei vapori. L’acqua infatti, a differenza del
bromuro di litio, che è un sale, presenta una discreta volatilità, per cui evapora assieme
all’ammoniaca; se non separata andrebbe a diminuire l’effetto frigorifero nell’evaporatore,
diluendo la soluzione di ammoniaca presente.
Le pompe di calore ad assorbimento, come detto precedentemente, possono utilizzare una
qualsiasi sorgente termica, rappresentando quindi una valida alternativa alle macchine a
compressione.
Il ciclo ad assorbimento, illustrato in Fig. 4.2.1, ha in comune con quello a compressione
meccanica tre componenti: il condensatore, la valvola laminatrice e l’evaporatore, ma ne
differisce per il modo di trasferimento di energia al fluido frigorifero. Nella macchina ad
assorbimento sono presenti i cicli di due fluidi: quello frigorifero e quello del liquido
assorbitore. I due cicli si intersecano perché il fluido frigorifero in certe parti del circuito si
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discioglie nel fluido assorbitore, in altre se ne separa, e in altre agisce indipendentemente.
Anche nel caso di cicli ad assorbimento vi sono due rami:
uno ad alta pressione, costituito dal condensatore e dal desorbitore
uno a bassa pressione, costituito dall’evaporatore e dall’assorbitore
Nel ciclo ad assorbimento H2O/LiBr, le pressioni in gioco sono inferiori alla pressione
atmosferica e la macchina deve essere quindi stagna. Nel ciclo ad assorbimento NH3/H2O i
valori delle pressioni in gioco sono simili a quelle di un impianto a compressione
meccanica.
I vantaggi offerti da queste macchine, oltre alla possibilità di utilizzare il calore di scarto
come sorgente di energia, sono l’elevata affidabilità derivante dalla presenza di pochissimi
organi in movimento, l’elevata vita utile (oltre 20 anni), la bassa rumorosità e l’assenza di
vibrazioni, la ridotta richiesta di energia elettrica e le buone prestazioni ai carichi parziali.
Gli svantaggi di queste macchine sono il prezzo unitario, più alto rispetto ad un’analoga
macchina a compressione, e i bassi valori di COP.
Prestazioni e caratteristiche dell’energia termica disponibile
Le prestazioni delle pompe di calore ad assorbimento vengono quantificate mediante il
COP (Coefficient Of Performance), che è il rapporto tra l’effetto utile, la potenza termica
ceduta alla sorgente calda, e la potenza termica spesa al generatore; con riferimento alla
Fig. 4.2.1:
COP = Qc / QAss = (QF + QAss) / QAss = EER + 1.
Le prestazioni tipiche delle pompe di calore ad assorbimento a semplice effetto in termini
di COP (e di EER nel caso di macchine reversibili, che funzionano anche come frigoriferi
ad assorbimento) sono riassunte in Tab. 4.5.1.
La pompe di calore NH3/H2O raggiungono valori del COP leggermente inferiori rispetto a
quelli della pompe di calore H2O/LiBr a causa della necessità di impiegare una colonna di
rettificazione che separi il vapore di NH3 da quello di H2O (si veda Fig. 4.2.2).
Tabella 4.5.1 – Valori tipici del COP delle pompe di calore ad assorbimento a semplice effetto
(tra parentesi i valori tipici di EER delle macchine reversibili)
Tipologia di macchina
H2O/LiBr
NH3/H2O
COP
(EER)
1.4-1.7
1.3-1.6
(0.70-0.75)
(0.65-0.70)
Un aumento di COP è conseguibile adottando cicli a doppio, costituiti da due cicli a
singolo effetto, come quello illustrato, posti in “cascata”, in modo che il calore di
condensazione del ciclo soprastante costituisca l’energia in ingresso al generatore del ciclo
sottostante.
Nell’ottica di un impiego integrato con un impianto di cogenerazione occorre tuttavia
considerare che le macchine a doppio effetto richiedono livelli di temperatura della
sorgente di calore che alimenta il generatore più elevati, con temperature che, nelle
macchine a doppio effetto, si aggirano attorno a 150-200 °C, contro gli 80-130 °C richiesti
dalle macchine a singolo effetto.
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Le prestazioni delle pompe di calore ad assorbimento a fiamma diretta (in cui il calore che
alimenta il generatore è ottenuto dalla combustione diretta di combustibile) vengono
quantificate mediante l’indice GUE (Gas Utilization Efficiency), che è il rapporto tra
l’effetto utile (la potenza termica ceduta alla sorgente calda) e la potenza immessa con il
combustibile. Il GUE è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni
di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1.5.
Le pompe di calore ad assorbimento possono trovare impiego:
nelle settore residenziali dove possono essere installate senza problemi anche
all’esterno;
nel terziario e nell’industria, dove le potenze ne richiedono l’installazione esterna,
solitamente con sorgente fredda ad aria. Non sono necessari solitamente sistemi di
riscaldamento integrativi.
Vengono in genere utilizzate pompe di calore ad assorbimento a fiamma diretta, con
alimentazione a gas naturale, in applicazioni dove è richiesta alta affidabilità e continuità
di servizio anche in caso di black-out (esempio industria alimentare, settore
ospedaliero…).
In sostanza la pompe di calore ad assorbimento rappresentano un sistema per
“valorizzare” l’energia termica, in quanto permettono di ottenere al condensatore della
pompa di calore una quantità di calore maggiore dell’energia termica immessa nel
generatore: Qc = COP x QAss
Principali costruttori e modelli sul mercato
Le pompe di calore ad assorbimento sono una tecnologia poco diffusa, principalmente a
causa del più elevato costo rispetto ad una pompa di calore ad azionamento elettrico o
meccanico. I modelli presenti sul mercato italiano sono principalmente macchine di
“piccola” taglia a combustione diretta destinate ad un utilizzo residenziale. In Fig. 4.5.2
viene riportato il GUE in funzione della potenza termica fornita, delle pompe di calore ad
assorbimento della Robur (www.robur.it), che è il principale costruttore italiano. I modelli
in catalogo, tutti a fiamma diretta, sono i seguenti:
Robur E3 A HT: pompa di calore ad assorbimento modulante, da installare
•
all’esterno, per riscaldamento e produzione indiretta di acqua calda sanitaria fino a
70°C. La versione HT è quella ottimizzata per funzionamento ad alta temperatura;
•
Robur E3 WS: pompa di calore ad assorbimento modulante, per riscaldamento e
produzione indiretta di acqua calda sanitaria fino a 70°C;
•
Robur PRO LINEA GAHP SERIA A HT: pompa di calore ad assorbimento, da
installare all’esterno, per la produzione di acqua calda fino a 65°C. La versione HT è
quella ottimizzata per il funzionamento ad alta temperatura;
•
Robur PRO LINEA GAHP SERIE RTAR (120-240, 180-360, 240-480, 300-600): pompa
di calore ad assorbimento reversibile, da installare all’esterno, per la produzione di
acqua calda fino a 60°C o acqua fredda fino a 3°C.
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1.8
GUE
1.7
E3 A versione HT
E3 WS
PRO LINEA GAHP A versione HT
PRO LINEA GAHP RTAR
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
0
50
100
Ptermica [kWt]
150
200
Fig. 4.5.2 – Prestazioni pompe di calore ad assorbimento a fiamma diretta Robur
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5. Le barriere alla diffusione della piccola cogenerazione
La cogenerazione ha avuto nel secolo scorso due definiti campi di applicazione:
•
le industrie con forti consumi di calore, che si auto-producevano l’elettricità grazie ad
impianti a vapore a contropressione nei quali il vapore era prodotto in caldaie a
carbone o olio pesante e, prima di andare al processo, generava un po’ di elettricità;
•
nelle grandi città i grandi impianti, che bruciavano combustibili difficili, carbone e/o
rifiuti urbani, in condizioni sufficientemente controllate, generando elettricità e calore
da distribuire agli edifici mediante un’apposita rete di teleriscaldamento.
Successivamente, ridotto l’utilizzo dei combustibili difficili (sostituiti da gas naturale o da
gasolio desolforato), è emersa la possibilità di evitare la costruzione delle costose reti di
calore, decentrando gli impianti di cogenerazione presso le utenze, sia del terziario con
taglie 50 - 1000 kWe (piccola cogenerazione), sia che del settore residenziale, con taglie da
0,5 – 50 kWe (microcogenerazione).
5.1 Generalità sulle barriere alla diffusione
Le barriere alla diffusione possono venire sia dalle difficoltà che possono incontrare gli
utilizzatori per ottenere i benefici previsti, sia dalle difficoltà dei venditori per assistere gli
utenti nell’apprendere come adattare il generatori alle proprie esigenze.
Il fattore di carico e i benefici per l’utilizzatore
L’utente paga sia l’acquisto del cogeneratore (motore, generatore elettrico, modulo
termico, strumentazione di regolazione e controllo) di costo legato alla potenza installata,
sia i collegamenti del cogeneratore con le proprie utenze elettriche e termiche, di costo
molto legato alle caratteristiche del sito, sia infine la spesa per l’assistenza all’installazione
e al primo esercizio, di costo quasi fisso.
I benefici sono invece ovviamente legati alla quantità di elettricità e di calore prodotti ed
effettivamente utilizzati. Ne deriva l’importanza di raggiungere un forte fattore di carico
annuale e di utilizzare entrambe le due forme di energia prodotta: nelle celle a
combustibile si ha in genere un rapporto elettricità-calore attorno a 1,2 - 1,5, mentre nelle
turbine a gas a ciclo rigenerativo il rapporto è attorno a 0,7 – 1 e per i motori a gas a ciclo
Otto è attorno ad 1.
Gli utilizzatori hanno una richiesta in genere variabile nell’anno e un rapporto elettrico
termico ugualmente variabile. Da ciò deriva la difficoltà per i costruttori di scegliere la
taglia da produrre e per gli utilizzatori la taglia da acquistare.
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La prima difficoltà è che l’utente potenziale generalmente ignora la propria curva di
utilizzo annuale di elettricità e calore, quindi è difficile, per chi vuole vendere, poter
prevedere e garantire il beneficio ottenibile.
Inoltre spesso è necessario modificare il sistema di controllo e gestione dell’utilizzo del
calore, per abbassare temperature inutilmente alte nella rete di distribuzione e mantenere
sempre la temperatura di ritorno sufficientemente bassa, così come richiesto dalla
macchina; occorre una regolazione che dia priorità al recupero dal cogeneratore rispetto
all’intervento della caldaia di integrazione. In alcuni casi può essere necessario sostituire
una pompa di circolazione a portata costante con una a portata variabile, per mantenere
costante il salto di temperatura; probabilmente può essere necessario installare un
dissipatore del calore generato in eccesso.
Ugualmente per quanto riguarda l’impianto elettrico occorre ricordare il costo delle
protezioni sia verso la rete che dalla rete, il controllo di disturbi prodotti dall’eventuale
inverter nel caso di celle a combustibile, microturbine, etc. e il fatto che può essere
necessario, specie nelle piccole utenze, ristrutturare la distribuzione dei carichi nelle tre
fasi in modo da poter assorbire al meglio tutta l’elettricità generata.
Una volta definiti, o ipotizzati, i due diagrammi di carico elettrico e termico, occorre
valutare lo sfasamento temporale fra gli stessi; in genere l’utente non dispone di
registrazioni e allora occorre ipotizzare non solo cosa accade di giorno ma anche di notte,
nei giorni festivi, d’estate o d’inverno, prevedendo eventuali dissipatori di calore o
accumuli termici.
Individuata la potenza ottimale da installare e scelta quella disponibile sul mercato occorre
definire la logica di regolazione: se si segue il carico elettrico, come usuale, o se invece, in
alcuni periodi del giorno o dell’anno, convenga seguire il carico termico.
Queste scelte dipendono dalla struttura delle tariffe di acquisto e vendita di elettricità e
gas e dal regime fiscale, oltre che dal costo delle apparecchiature e delle installazioni.
Quindi dipende sia dal tipo di utente che dal paese dove esso opera. Occorre poi
prevedere, a livello di offerta, quale sarà il nuovo contratto da stipulare con la rete elettrica
e con quella del gas.
Questi problemi di fattore di carico e di interfaccia sarebbero eliminati se si scegliesse una
potenza sempre inferiore alle necessità; con questo vincolo però, nella maggior parte delle
applicazioni si sceglierebbe una potenza così bassa che i benefici sarebbero
percentualmente così limitati che tutta l’operazione diventerebbe di limitato significato sia
energetico sia ambientale sia economico.
L’assistenza all’utente
L’esperienza di questi ultimi venti anni di approccio alla generazione distribuita ha
mostrato che non è possibile che un potenziale cliente si compri un generatore per
produzione decentrata, se lo porti a casa e se lo installi come farebbe con un generatore
elettrico di emergenza; così è stato per motori a gas e così molto verosimilmente sarà per le
microturbine e le celle a combustibile.
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Tutte le attività, ricordate nel paragrafo precedente, vanno svolte, sia pure in modo più
schematico, prima di poter preparare un’offerta garantibile al potenziale cliente. Poi, una
volta che il cliente ha accettato, egli avrà certamente bisogno di assistenza sia legislativoistituzionale nell’ottenere le varie autorizzazioni dagli enti locali e nella ristrutturazione
dei contratti con le reti gas ed elettricità, sia di tipo tecnico per la realizzazione delle
interfacce (per evitare che gli vengano a costare più dell’impianto base); infine necessiterà
di assistenza nella messa a punto, in buona parte sperimentale, delle interazioni fra il
generatore e le modalità di utilizzo, analizzando i primi dati di esercizio.
Il tema delle autorizzazioni non è oggi molto più facile che negli anni scorsi, nonostante il
sistema dello sportello unico e delle conferenze dei servizi; le basse emissioni allo scarico
faciliteranno le cose per le celle a combustibile, ma l’allarme ambientale fa divenire sempre
più attento il comportamento delle Istituzioni (il funzionario pubblico è preoccupato delle
conseguenze “per lui” della sua firma); dal punto di vista cartaceo 500 watt tendono a
somigliare a 500 kW se non a 500 MW, e a richiedere le stesse firme e quasi lo stesso
tempo.
Inoltre la cittadinanza residente, spesso supportata da associazioni ambientaliste e liste
civiche o politiche locali, si mobilita anche contro gli impianti più piccoli e anche contro le
fonti rinnovabili, sostenendo che se non c’è l’inquinamento chimico, c’è quello visivo o
quello elettromagnetico: in ogni caso, “not in my backyard”. Ed ogni ritardo autorizzativo,
dovuto a legittime istanze, sindrome “NIMBY” o altro, significa perdite di tempo,
incertezza e aumento dei costi.
Nei paesi come l’Italia ove il consumo di elettricità richiede un contatore fiscale, i
generatori distribuiti non sono esentati come le fonti rinnovabili per potenze minori di 20
kW. La procedura per diventare titolare di una “officina elettrica”, con obbligo di scritture
e di vidimazioni annuali in appositi uffici, sfianca il normale cittadino; poi ogni intervento
di manutenzione sulla parte elettrica che richieda la rottura dei sigilli fiscali comporta il
costo e il tempo perso per la presenza fisica dell’addetto. Il tema della fiscalità è purtroppo
intrinsecamente legato alla procedura per il passaggio di fiscalità del gas utilizzato per la
produzione di elettricità, che è condizione preliminare ad ogni valutazione di impiego
della cogenerazione fuori dal settore industriale o equiparati (alberghi, piscine, etc.).
Se avanza calore, in modalità non programmabili, in genere può essere solo dissipato,
salvo disponibilità di spazi per un possibile accumulo. Se avanza elettricità in modo non
programmabile, cioè come eccedenze del momento, se la potenza non supera i 200 kW si
può utilizzare il meccanismo dello scambio sul posto con conguaglio annuale; per potenze
superiori, fino a 10MVA, le eccedenze possono essere in pratica cedute alla rete,
utilizzando il meccanismo del ritiro dedicato; è difficile vendere a terzi (anche se oggi è
lecito) senza dare garanzie di costanza della fornitura. Per il resto, valgono i problemi già
esposti nel capitolo sui rapporti con il sistema elettrico.
Per le celle a combustibile, visto che l’elettricità è prodotta con basso consumo di
combustibile, l’uso più economico delle eccedenze è probabilmente quello di farci del
calore per effetto Joule (purché sia utilizzato).
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Il singolo potenziale cliente disposto all’acquisto di una cella non ha competenze su questi
temi, né tempo per aggiornarsi, quindi o se ne fa carico e le fornisce il venditore in un
pacchetto con il prodotto, oppure occorre l’intervento di un terzo, una società di servizi
energia (ESCO); in ogni caso i costi aumentano, sia i costi di commercializzazione per il
lavoro da fare prima dell’offerta, con rischio di non concretizzare l’ordine, sia i costi di
assistenza per la quale si richiedono competenze diverse e molto integrate, sia infine
perché la ESCO, oltre ai costi finanziari, deve avere il suo profitto.
5.2 Possibili linee di soluzione
Come visto nel punto precedente i principali ostacoli alla diffusione della generazione
distribuita sono: la burocrazia delle varie interfacce, il basso fattore di carico degli utenti e
le scarse competenze tecniche degli stessi.
Questi problemi potrebbero essere ridotti se e quando le celle a combustibile riuscissero a
superare le loro difficoltà tecniche di affidabilità ed a ridurre drasticamente i costi.
Le possibili linee di soluzione per la cogenerazione di piccola taglia sono:
1.
i promotori non debbono farsi prendere la mano dalle potenzialità delle varie nicchie
di utenza e dai clienti entusiasti che spesso portano a disperdere le forze, ma devono
razionalizzare l’offerta e selezionare la domanda;
2.
se si decide di affrontare il mercato partendo da poche nicchie, occorre avere prodotti
ingegnerizzati per esse, selezionando taglie abbastanza alte da giustificare i costi di
commercializzazione e assistenza;
3.
i ministeri (in primo luogo il MEF) e gli organismi competenti debbono modificare le
procedure per l’esazione della fiscalità in modo da semplificare il meccanismo di
controllo e le procedure di gestione delle varie accise;
4.
la diffusione per il largo pubblico delle utenze domestiche è fattibile solo in stretta
collaborazione con strutture operanti nella fornitura dei servizi, in particolare
distributori di elettricità e/o gas, o ESCO.
L’ultima proposta affronta i problemi alla radice in quanto l’utente finale potrebbe anche
non sapere cosa stanno facendo a casa sua. Se è il distributore elettrico (o del gas), o una
ESCO con buone radici nel territorio, che conosce i consumi dei suoi clienti, ad installare
sue macchine nei siti ottimali, vendendo calore e elettricità all’utente finale e immettendo
nella rete le eccedenze di elettricità, si risolvono buona parte dei problemi prima esposti.
Il distributore o la ESCO installerà infatti potenze abbastanza piccole in modo da essere
sicuro dell’assorbimento del calore per almeno 4.000 ore/anno, venderà elettricità di
supero ad altri utenti, tratterà da pari a pari con la burocrazia, con gli installatori e i
manutentori, con le banche e con il fornitore del gas. L’utente finale/cliente avrà un piccolo
bonus per il fastidio, senza alcuna preoccupazione.
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5.3 Prospettive e proposte
Con riferimento alla situazione vigente ad inizio 2009 qui di seguito rappresentata per i
settori industriale e civile (disaggregato in residenziale, mono-familiare e terziario), si
propongono alcune soluzioni tecnico/normative di semplice attuazione.
Settore industriale
Il parco di cogenerazione industriale sta raggiungendo l’obsolescenza e il GSE stima che
nel 2010 oltre 700 MW di cogenerazione arriveranno a fine vita. La taglia di questi impianti
industriali a fine vita è per la quasi totalità dei casi molto al di sopra di quella degli
impianti oggetto di questo studio (limitato agli impianti di Generazione Distribuita ossia
di potenza elettrica nominale fino a 10 MVA). I TEE, che normalmente non sono elemento
determinante alla realizzazione di un impianto o ad anticiparne il rinnovamento,
soprattutto in comparti ove la cogenerazione sia già la “media di mercato” (con
riferimento al criterio dell’addizionalità previsto dal meccanismo stesso dei TEE), possono
però rivelarsi interessanti per la scelta di impianti più efficienti della media, nel caso
l’impianto sia da rifare perché giunto a fine vita.
Settore civile
Edifici residenziali: in Italia sono 13 milioni per un totale di 27 milioni di appartamenti; un
potenziale bacino per applicazioni soprattutto di microgenerazione (< 50 kWe).
Al momento un limite per i condomini è quello di non poter vendere direttamente ai
consumatori collegati alle reti interne di utenza. Il problema si pone però anche in
presenza di un unico soggetto consumatore, intestatario del contratto di fornitura elettrica,
qualora la produzione venga effettuata da un altro soggetto, perché non verrebbe
rispettata la condizione di unicità del punto di fornitura. Con l’atto 54/07 l’AEEG ha
chiarito che è possibile che l’impianto di produzione e di consumo abbiano diversa
proprietà se un singolo utente con contratto di fornitura dell’energia elettrica sul mercato
libero dà alla ESCo mandato senza rappresentanza per la conclusione dei contratti di
trasmissione, distribuzione e dispacciamento. Il successivo tentativo di semplificazione,
auspicato anche dal D.Lgs 115/08 con l’introduzione dei “sistemi efficienti di utenza”, che
comprendono un impianto di generazione da fonte rinnovabile o cogenerazione ad alto
rendimento di potenza non superiore a 10 MWe direttamente connesso con il sistema ci
consumo di un unico soggetto, sembra al momento arenato dopo la consultazione
dell’AEEG. Attualmente non si intravvedono spiragli in tempi brevi, anche in
considerazione di una sentenza del 22 maggio 2008 della Corte europea sulle reti interne
d’utenza.
La microcogenerazione è inoltre gravata dagli adempimenti autorizzativi e per il
passaggio di fiscalità, che rappresentano ostacoli sia in termini temporali sia economici.
In tale quadro certo non giova la sospensione delle schede analitiche 21 e 22 dedicate alla
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cogenerazione in ambito civile, che non permettono di ottenere il pur limitato incentivo
fornito dai titoli di efficienza energetica.
La FIRE, con la collaborazione dei suoi soci e degli energy manager interessati ha
presentato alcune proposte di semplificazione per gli adempimenti fiscali, che però si
spingevano oltre la delega ricevuta dal Ministero dello Sviluppo Economico con il D. Lgs.
20/07.
Le iniziative per la semplificazione autorizzativa, spinte anch’e esse dal D. Lgs 20/07,
avevano tra l’altro portato alla formazione di gruppi di lavoro normativi presso il CTI per
la certificazione delle macchine, nell’ottica di una semplificazione delle pratiche
autorizzative e gestionali. Difficoltà di varia natura hanno di fatto bloccato i lavori
ministeriali, in particolare perché gli auspicati incisivi cambiamenti si sono confermati al
di fuori della portata della delega ministeriale.
In mancanza di un disposto legislativo di ordine superiore, del quale al momento non si
ha notizia, si propongono alcune possibili soluzioni di immediata o comunque veloce
attuabilità
Soluzioni per la fase autorizzativa e gli adempimenti fiscali:
a. direttiva apparecchi a gas 90/396/CEE del 29 giugno 1990 “Gli Stati membri non
possono vietare, limitare od ostacolare lʹimmissione sul mercato e la messa in servizio
di apparecchi conformi a tutte le prescrizioni della presente direttiva”. La
certificazione è costosa, ma si potrebbe agire con azioni di supporto sia alla
certificazione sia alla progettazione nell’ottica della certificazione (piuttosto che con
incentivi che potrebbero essere considerati a livello comunitario come distorsioni del
mercato). La certificazione potrebbe inoltre allargare il mercato a tutta Europa.
L’atteso D.M. di potenziamento dei TEE per la CHP (previsto dal D. Lgs. 20/07) non
solo sbloccherebbe il meccanismo per la cogenerazione in ambito civile, ma potrebbe
contribuire a stimolare la domanda, compensando nel breve termine i costi
burocratici (autorizzativi, gestione fiscalità, impossibilità vendita agli utenti interni,
etc.);
b.
ricorso dell’abbonamento alle accise nei casi di un numero limitato di ore annue di
funzionamento e a medio termine azioni per ottenerne un’estensione a un maggior
numero di ore annue (es. 12 ore/giorno x 365 giorni/anno = 4380 ore/anno).
Edifici monofamiliari: per essi sono potenzialmente interessanti le soluzioni con potenze
elettriche limitate disponibili sui mercati esteri (motori alternativi nel mercato giapponese
e Stirling nei mercati nord europei). Si può optare per potenze elettriche inferiori al kWe:
in questo modo si evita la trafila degli adempimenti fiscali, ma si perdono i vantaggi del
passaggio di fiscalità di parte del combustibile utilizzato. Tali soluzioni hanno di solito
efficienza elettrica limitata (≤ 20%), quindi il mancato riconoscimento del passaggio di
fiscalità ha un peso inferiore rispetto ad altri casi. Il prossimo atteso D.M. di
potenziamento dei TEE, oltre a sbloccare la situazione dei TEE per le applicazioni civili
(considerate le limitate potenze in gioco la presentazione dovrà essere effettuata da un
distributore o da una ESCO che aggreghi un certo numero di interventi), potrebbe
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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prevedere un maggior supporto per questi piccoli impianti anche a compensazione del
mancato passaggio di fiscalità, che potrebbe rivelarsi fondamentale, a parità del resto, nel
caso di ingresso sul mercato di tecnologie di piccola taglia ma con rendimenti elevati (es.
celle a combustibile).
Le macchine di taglia così piccola copiano spesso le fattezze di caldaie murali, o a
basamento, che sostituiscono, e comprendono al loro interno anche il bruciatore di
integrazione; il ricorso alla direttiva apparecchi a gas diventa quasi naturale (avendo di
fatto una caldaia al loro interno), per permetterne l’installazione ed è giustificato dalla
prevedibile produzione in larga scala.
Terziario: il settore presenta situazioni molto differenti e spesso con richiesta di freddo
(necessità di trigenerazione); è anche il settore a maggior crescita della domanda
energetica negli ultimi anni. Le dimensioni molto variabili potrebbero far ricadere in
alcuni casi nella microcogenerazione (< 50 kWe), ma il mercato più consistente dovrebbe
essere quello di taglie superiori, anche oltre la piccola cogenerazione (> 1 MWe). Le ore
all’anno di utilizzo tendono a essere maggiori, anche per il frequente abbinamento ad
assorbitori per la deumidificazione e il raffrescamento estivo. In alcuni casi (es. centri
commerciali, etc.) si può presentare il problema delle reti interne di utenza (come descritto
per il settore civile); è da valutare, caso per caso, la possibilità di dimensionare gli impianti
considerando sistemi di accumulo termico e frigorifero che consentano un livellamento del
carico che ottimizzi i rendimenti e riducano, in caso di produzione di freddo con impianti
a compressione, gli assorbimenti dalla rete nelle fasce di punta e la cessione (eventuale)
nelle fasce vuote.
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Accordo di Programma MSE-ENEA:
Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con
unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario
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NOTE sugli AUTORI
Michele Bianchi è professore associato di “Macchine a fluido” e “Sistemi per l’energia e l’ambiente”
presso il Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e
di Metallurgia (DIEM) dell’Università degli Studi di Bologna. E’ uno degli esperti, in campo
nazionale ed internazionale, di sistemi di conversione dell’energia con particolare riferimento alle
tecnologie cogenerative. Ha curato gli aspetti tecnico-scientifici relativi alla normativa italiana ed
europea, alle tecnologie di generazione elettrica (motori a combustione interna alternativi,
microturbine a gas, cicli combinati gas/vapore e celle a combustibile) e per la produzione del
freddo, predisponendone i contenuti e coordinando il gruppo di lavoro del dipartimento composto
dai ricercatori: Ing. Andrea De Pascale, Ing. Francesco Melino, Ing. Bruno Belvedere, Ing. Lisa
Branchini.
Pier Ruggero Spina è professore ordinario di “Macchine a fluido” e “Sistemi per l’energia e
l’ambiente” presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Ferrara. E’ uno
degli esperti, in campo nazionale ed internazionale, di sistemi con turbine a gas per la produzione
di energia e nel settore “oil & gas”. Ha curato gli aspetti tecnico-scientifici relativi alla normativa
extra-europea, alle tecnologie di generazione elettrica (turbine a gas e a vapore, cicli Rankine,
motori Stirling e sistemi termofotovoltaici) e per la produzione del caldo (pompe di calore),
predisponendone i contenuti e coordinando il gruppo di lavoro del dipartimento composto dai
ricercatori: Ing. Michele Pinelli, Ing. Mauro Venturini e Ing. Mirko Morini.
Giuseppe Tomassetti è vice-presidente della Federazione Italiana per l’uso Razionale dell’Energia
(FIRE). E’ uno dei maggiori esperti nazionali nel campo dell’efficienza energetica e dell’uso
razionale dell’energia. Ha curato l’inquadramento istituzionale delle tecnologie e gli aspetti di
definizione delle barriere alla diffusione delle tecnologie trattate, fornendo, anche attraverso il
filtro sapiente dei contributi degli operatori del settore, gli elementi per l’identificazione delle
strategie di soluzione.
Daniele Forni è Responsabile Tecnico della Federazione Italiana per l’uso Razionale dell’Energia
(FIRE). È ingegnere esperto di tecnologie efficienti e di normativa tecnica in ambito energetico ed
impiantistico. Ha curato principalmente alcuni aspetti tecnologici ed il quadro
normativi/legislativo nazionale di dettaglio, comprese le proposte tecnico-normative di
semplificazione degli aspetti di natura autorizzativa e fiscale, fornendo contributi originali
derivanti dall’esperienza maturata in particolare con gli operatori di mercato lato utenza.
Ennio Ferrero è responsabile scientifico per ENEA del tema di ricerca “Promozione delle tecnologie
elettriche innovative negli usi finali” nell’ambito dell’Accordo di Programma tra il Ministero dello
Sviluppo Economico e l’ENEA. È esperto di efficienza energetica e tecnologie efficienti; ha curato
l’impostazione dello studio, definendone l’inquadramento nell’ambito delle attività relative al
citato tema di ricerca ed i contenuti in funzione delle esigenze del target d’utenza individuato.
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